指令执行过程

考情分析

指令执行过程是选择题和综合题的高频考点。408真题考过"某微操作属于哪个周期""写出某指令的微操作序列"，理解每个阶段的数据流是解题关键。

指令周期的四个阶段

一条指令的完整执行经过以下阶段（并非每条指令都有全部四个阶段）：

$$\text{取指周期}\to \text{间址周期（可选）}\to \text{执行周期}\to \text{中断周期（可选）}$$

每个阶段称为一个机器周期（也叫CPU周期），每个机器周期由若干个时钟周期（节拍）组成。

取指周期（Fetch Cycle）

任务：从内存中读取指令，送入 IR。

微操作序列：

步骤	操作	说明
1	$\text{PC}\to \text{MAR}$	将 PC 内容（指令地址）送入 MAR
2	$1\to R$（读命令）	启动存储器读操作
3	$\text{MDR}\leftarrow M[\text{MAR}]$	从内存读指令到 MDR
4	$\text{MDR}\to \text{IR}$	将指令送入指令寄存器
5	$\text{OP(IR)}\to \text{CU}$	操作码送控制单元译码
6	$(\text{PC})+1\to \text{PC}$	PC 自增，指向下一条指令

间址周期（Indirect Addressing Cycle）

任务：当指令采用间接寻址时，从内存中取出有效地址。

触发条件：指令中的寻址特征位 $I=1$（表示间接寻址）。

微操作序列：

步骤	操作	说明
1	$\text{Ad(IR)}\to \text{MAR}$	将指令中的形式地址送 MAR
2	$1\to R$	读内存
3	$\text{MDR}\leftarrow M[\text{MAR}]$	读出的内容就是有效地址
4	$\text{MDR}\to \text{MAR}$	有效地址送 MAR（准备执行周期访存）

多重间接寻址时重复上述过程，直至取到最终有效地址。

执行周期（Execute Cycle）

任务：执行指令规定的操作。不同指令的执行周期微操作完全不同。

以几类典型指令为例：

加法指令 ADD X（直接寻址）

$$\text{ACC}\leftarrow \text{ACC}+M[X]$$

步骤	操作
1	$\text{Ad(IR)}\to \text{MAR}$
2	$M[\text{MAR}]\to \text{MDR}$
3	$\text{ACC}+\text{MDR}\to \text{ACC}$

存数指令 STA X（将 ACC 内容写入内存 X）

$$M[X]\leftarrow \text{ACC}$$

步骤	操作
1	$\text{Ad(IR)}\to \text{MAR}$
2	$\text{ACC}\to \text{MDR}$
3	$1\to W$（写命令），$\text{MDR}\to M[\text{MAR}]$

转移指令 JMP X（无条件转移）

$$\text{PC}\leftarrow X$$

步骤	操作
1	$\text{Ad(IR)}\to \text{PC}$

转移指令的执行周期最简单，只需修改 PC 即可。

条件转移指令 BZ X（结果为零时转移）

步骤	操作
1	若 $\text{ZF}=1$，则 $\text{Ad(IR)}\to \text{PC}$；否则不操作

中断周期（Interrupt Cycle）

任务：在每条指令执行结束后，检查是否有中断请求。若有，则保护断点并转入中断服务程序。

微操作序列：

步骤	操作	说明
1	$0\to \text{EINT}$	关中断（防止保存断点过程被打断）
2	$\text{SP}-1\to \text{SP}$，$\text{SP}\to \text{MAR}$	堆栈指针减1，准备压栈
3	$1\to W$	写内存
4	$\text{PC}\to \text{MDR}$，$\text{MDR}\to M[\text{MAR}]$	将 PC（断点地址）压入栈
5	向量地址 $\to \text{PC}$	转入中断服务程序

指令周期流程图

机器周期与时钟周期

• 时钟周期（节拍）：CPU 最小时间单位，$T=1/f$
• 机器周期：完成一个基本操作（如一次访存）所需的时间，通常包含若干时钟周期
• 指令周期：执行一条完整指令所需时间，通常包含 2~5 个机器周期

$$\text{指令周期}\ge \text{机器周期}\ge \text{时钟周期}$$

考点清单

• 四个周期的顺序：取指 → 间址（可选）→ 执行 → 中断（可选）
• 取指周期结束时 PC 已完成 +1
• 间址周期只在间接寻址时才有
• 中断周期的核心动作：关中断 + 保存断点 + 跳转
• 执行周期的微操作因指令不同而不同，转移指令只需修改 PC
• MAR 和 MDR 是 CPU 与主存之间的接口，所有访存操作都经过它们

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