计算机组成原理|指令周期方框图

上面，我们介绍了5条典型指令的指令周期，通过画示意图来解释每一条指令的取指令过程和执行指令过程。实际上我们可以用更简洁的语言，即用方框图法来表示一条指令的指令周期，如图5-14所示。

图中一个方框代表一个CPU周期，方框中的内容表示在这个CPU周期中的所有操作或操作的控制。除了方框以外，还需要一个菱形框，它用来表示某种判别或测试，不过时间上它依附于它前面一个方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期。

其中（IR）→AR和（IR→）IP都是指IR中的地址码部分送AR和IP。我们看到，所有指令的取指令阶段是完全相同的，而且是一个CPU周期。但是指令的执行阶段，由于各条指令的功能不同，所用的CPU周期是各不相同的，其中INC、NOP、JMP指令是一个CPU周期，ADD和MOV指令是两个CPU周期。

图5-14中，还有一个“”符号，我们称它为公操作符号。这个符号表示一条指令已经执行完毕，转入公操作。所谓公操作，就是一条指令执行完毕后，CPU所开始进行的一些操作，这些操作主要是CPU响应外设的中断请求，与外设交换数据。如果没有外设要求交换数据，那么CPU又转向从内存中取下一条指令。由于所有指令的取指令阶段是完全一样的，因此，取指令也可以认为是公操作。一条指令执行结束后，如果没有外设请求，CPU一定转入“取指令”操作。指令周期的方框图表示法通常用在计算机设计中。

图5-14　指令周期示意图

例5-1：图5-15所示为双总线结构计算机的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器（具有自增功能），MO为主存（受信号控制），AR为地址寄存器，DR为数据缓冲寄存器，ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制的是一个门电路，其作用是允许或不允许两条总线上的信号传送。另外，线上标注有小圈的表示有控制信号，例如，R1i表示R1寄存器的输入控制信号，R10为寄存器R1的输出控制信号，线上未标注小圈的表示没有控制信号，是直通线。

图5-15　双总线结构计算机的数据通路(www.xing528.com)

①“ADD R2，R0”指令完成（R2）+（R0）→R2的操作，画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入PC中。并列出相应的微操作控制信号序列。

②“SUB R1，R3”指令完成（R1）-（R3）→R1的操作，画出其指令周期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。

解：两条指令的指令周期流程图及其相应的微操作如图5-16所示。其中的取指令阶段的部分是相同的，不同的是执行指令阶段。

①“ADD R2，R0”指令是一条加法指令，参与运算的两个操作数放在寄存器R2和R0中，先把R2和R0通过数据通路传送到X和Y寄存器，然后由ALU部件执行加操作，操作结果通过数据通路传到R2寄存器。指令周期流程图及其相应的微操作如图5-16（a）所示。

图5-16　加法和减法指令周期流程图

②“SUB R1，R3”指令是一条减法指令，参与运算的两个操作数放在寄存器R1和R3中，先把R1和R3通过数据通路传送到X和Y寄存器，然后由ALU部件执行减操作，操作结果通过数据通路传到R1寄存器。指令周期流程图及其相应的微操作如图5-16（b）所示。