5.2指令执行过程

指令周期

CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间。
指令周期常常用若干机器周期来表示，机器周期又叫CPU周期。
一个机器周期又包含若干时钟周期（也称为节拍、T周期或CPU时钟周期，它是CPU操作的最基本单位)。

每个指令周期内机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。

指令周期流程

指令周期的数据流-取指周期

1.当前指令地址送至存储器地址寄存器，记做:(PC) ->MAR
2.CU发出控制信号，经控制总线传到主存，这里是读信号，记做:1->R
3.将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR，记做:M(MAR)-> MDR
4.将MDR中的内容(此时是指令)送入lR,记做:(MDR)->IR
5.CU发出控制信号，形成下一条指令地址，记做:(PC)+1 ->PC

指令周期的数据流-间址周期

1.将指令的地址码送入MAR,记做:Ad(IR)-> MAR
或Ad(MDR)-> MAR
2.CU发出控制信号，启动主存做读操作，记做:1->R
3.将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR，记做:M(MAR)-> MDR
4.将有效地址送至指令的地址码字段，记做:(MDR)->Ad(IR)

指令周期的数据流-执行周期

执行周期的任务是根据IlR中的指令字的操作码和操作数通过ALU操作产生执行结果。不同指令的执行周期操作不同，因此没有统一的数据流向。

指令周期的数据流-中断周期

中断:暂停当前任务去完成其他任务。为了能够恢复当前任务，需要保存断点。一般使用堆栈来保存断点，这里用SP表示栈顶地址，假设SP指向栈顶元素，进栈操作是先修改指针，后存入数据。
1.CU控制将SP减1，修改后的地址送入MAR
记做:(SP)-1 -> SP，(SP) ->MAR
本质上是将断点存入某个存储单元，假设其地址为a，故可记做: a -> MAR
2.CU发出控制信号，启动主存做写操作，记做:1 ->w
3.将断点(PC内容)送入MDR，记做:(PC) -> MDR
4.CU控制将中断服务程序的入口地址(由向量地址形成部件产生)送入PC，记做:向量地址 ->PC

指令执行方案

一个指令周期通常要包括几个时间段（执行步骤），每个步骤完成指令的一部分功能，几个依次执行的步骤完成这条指令的全部功能。
方案1．单指令周期
对所有指令都选用相同的执行时间来完成。
指令之间串行执行;指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间。
对于那些本来可以在更短时间内完成的指令，要使用这个较长的周期来完成，会降低整个系统的运行速度。
方案2．多指令周期
对不同类型的指令选用不同的执行步骤来完成。指令之间串行执行;可选用不同个数的时钟周期来完成不同指令的执行过程。
需要更复杂的硬件设计。
方案3．流水线方案
在每一个时钟周期启动一条指令，尽量让多条指令同时运行，但各自处在不同的执行步骤中。指令之间并行执行。