指令周期与数据通路

指令周期:

　　CPU从主存中取出并执行一条指令的时间称为指令周期，不同指令的指令周期可能不同。

　　指令周期通常由若干个机械周期来表示，一个机械周期有包括若干个时钟周期（也成节拍，它是CPU操作的最基本单位）。

　　每个指令周期内的机械周期数可以不相等，每个机械周期内的节拍数也可以不相等。

 

　　1.对于无条件转移指令，在执行时不需要访问主存，只包含取指阶段和执行阶段，所以其指令周期仅包含取指周期与执行周期。

　　2.对间接寻址的指令，在执行时为了取操作数，要先访问一次主存，取出有效地址，在去访问主存取出操作数，所以还需包括间接周期。

　　3.当CPU采用中断方式实现主机与I/O设备的信息交换时，CPU在每条指令执行结束时都要发生中断查询信号，若有中断请求，则CPU进入中断相应阶段，又称中断周期。

 

　　这样一个完整的指令周期就包括取指，间址，执行和中断四个周期：

　　

　　取指周期是为了取指令，间址周期是为了取有效地址，执行周期是为了取操作数，中断周期是为了保护程序断点。

　　为了区别不同的工作周期，在CPU内设置了4个标志触发器FE，IND，EX和INT，它们分别对应取指，间址，执行和中断周期。

指令的执行方案：

　　1.单指令周期：对所有的指令都选用相同的执行时间来完成，称为单指令周期方案。此时每条指令都在固定的时钟周期内完成，指令之间串行执行。指令周期取决于执行时间最长的指令执行时间。

　　2.多指令周期：对于不同类型的指令选用不同的执行步骤，称之为多指令周期方案，指令之间串行执行，但是可以选用不同个数的时钟周期来完成不同的指令执行过程。

　　3.流水线方案：指令之间可以并行的方案，称为流水线方案。其追求的目标是力争在每个时钟脉冲周期完成一条指令的执行。

数据通路：

　　数据通路的功能：

　　　　数据在功能部件中传送的路径称为数据通路，包括数据通路上流经的部件，如ALU，通用寄存器等。

　　　　数据通路描述了信息从什么地方开始，中间经过那个寄存器或多路开关，最后传送到那个寄存器，这些都要加一控制。

　　　　数据通路由控制部件控制，控制部件根据每条指令功能的不同生成对数据通路的控制信号。

　　数据通路的基本结构：

　　　　1）CPU内部单总线控制：将所有的寄存器的输入输出端都连接到一条公共通路上，这种结构比较简单，但是数据传输存在较多的冲突现象。

　　　　　　当连接各部件的总线只有一条时，称为单总线结构；CPU中有两条或更多总线时，构成双总线或多总线结构。

　　　　2）CPU内部三总线结构：将所有的寄存器的输入输出端连接到多条公共通路上，采用多总线的方式，同时在多个总线上传送不同的数据，提高效率。

　　　　3）专用数据通路方式：根据指令执行过程中数据和地址流动方向安排连接线路，避免使用共享总线，性能较高，但是硬件量大。