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典型指令的指令周期（网络）

2011-12-23 12:21阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1877006093

表7-1给出了四条典型指令组成的一个简单程序，其中LDA是数据传送指令，ADD是加法指令，STR是存操作数指令，JMP是无条件转移指令，实现程序顺序控制。本小节通过每一条指令取指阶段与执行阶段的分解动作，来具体认识每一条指令的指令周期。 表7-1 典型指令组成的一个简单程序
十六进制数地址
 十六进制数代码
 助记符
 指令功能说明
0010
 3E00
 LDA 00H
 AC←00H
0011
 18E0
ADD [E0H]
AC←(AC)+(00E0H)
0012
 10F0
 STR [F0H]
 00F0H←(AC)
0013
 6011
 JMP 11H
 PC←0011H
…
 …
 …
 …
00E0
 0005
 数据
00E1
 0020
…
 …
00F0
 存放和数

1. LDA指令的指令周期
假定表7-1的简单程序已装入内存中，程序计数器PC指向程序的首地址， PC= 0010H，即存放“LDA 00H”指令的内存单元，所以CPU首先执行的第一条指令是LDA。LDA 00H采用立即寻址，执行阶段不要访问内存，其功能是把立即数传送到累加器，其指令周期如图7-6所示。它需要两个CPU 周期，其中取指令阶段需要一个CPU周期，执行指令阶段需要一个CPU周期。

第一个CPU周期是取指周期，CPU完成三件事：①从内存取出指令；②对程序计数器PC加1，为取下一条指令作好准备；③对指令操作码进行译码或测试，以便确定进行什么操作。
在第二个CPU周期，即执行指令阶段，CPU根据对指令操作码的译码或测试，进行指令所要求的操作。对非访内指令来说，执行阶段通常涉及到对累加器进行操作，如累加器内容清零、求反等操作。显然，其他一些零地址格式的指令，执行阶段也仅需要一个CPU周期。

图7-7 LDA 00H的取指周期操作
（1）取指周期
LDA的取指周期操作如图7-7所示，在此阶段内，CPU的操作如下：
①程序计数器PC的内容0010H被装入地址寄存器AR；
② 程序计数器内容加1，变成0011H，为取下一条指令做好准备；
③ 地址寄存器的内容被放到地址总线上；
④ 所选存储器单元0010H的内容经过数据总线，传送到数据缓冲寄存器DR；
⑤ 缓冲寄存器的内容传送到指令寄存器IR；
⑥ 指令寄存器中的操作码被译码或测试；
⑦ CPU识别出是指令LDA，至此，取指令阶段即告结束。
需要说明的是，取指周期的过程和数据通路对每条指令来说都是一样的，所不同的是PC的值和取得的指令代码不一样。后续指令ADD、STR、JMP的取指周期与LDA指令相同，因此，不必重复讨论。
（2）执行指令阶段
LDA指令的执行阶段如图7-8所示，在此阶段内，CPU的操作如下：
①经译码后知道LDA 00H指令采用立即寻址方式，操作数跟在操作码之后，已经存放在指令寄存器IR中，操作控制器送出控制信号，在IR与数据缓冲寄存器DR之间建立数据通路，把立即数打入DR；
② 操作控制器再送出控制信号在DR与ALU之间建立数据通路，把立即数送到ALU的输入端；
③ ALU响应传送操作控制信号，将输入ALU的数据送到累加寄存器AC，从而执行了LDA 00H指令。

图7-8 LDA指令执行阶段
2．ADD指令的指令周期
取出第一条指令LDA时，PC的内容已经加1变成了0011H，这个地址指向存放“ADD [E0H]”指令的内存单元，所以接下来执行的指令是ADD [E0H]。
ADD指令是一条访问内存取数并执行加法的指令，它的指令周期由三个CPU周期组成，如图7-9所示。其中第一个CPU周期为取指令阶段；执行阶段由两个CPU周期组成：


其中在第二个CPU周期中完成从内存单元取出操作数，第三个CPU周期执行加法操作。
（1）取指令阶段
ADD指令的第一个CPU周期完成取指令操作并对指令译码。ADD指令取出后，PC=0012H。
（2）取操作数
第二个CPU周期主要完成送操作数地址，访问内存单元取操作数。此阶段的操作如图7-10所示，在此阶段内，CPU的操作如下：
① 把指令寄存器中的地址码部分(E0H)装入地址寄存器AR，其中00E0H为内存中存放操作数的地址；
② 把地址寄存器中的操作数的地址(00E0H)发送到地址总线上；
③ 由存储器单元00E0H中读出操作数(0005H)，并经过数据总线传送到缓冲寄存器。

图7-10 ADD指令的取操作数阶段
（3）执行加法操作
第三个CPU周期主要完成加法操作如图7-11所示，在此阶段，CPU完成如下动作：

图7-11 ADD指令的加法操作阶段
由数据缓冲寄存器来的操作数(0005H)可送往ALU 的一个输入端，已等候在累加器内的另一个操作数(因为LDA 00H指令执行结束后累加器内容为零)送往ALU的另一输入端，于是ALU将两数相加，产生运算结果为0+0005H＝0005H。这个结果放回累加器，替换了累加器中原先的数0000H。
3. STR指令的指令周期
取出ADD [E0H]指令时，PC的内容已经加1变成了0012H，这个地址指向存放“STR [F0H]”指令的内存单元，所以接下来执行的指令是STR [F0H

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