指令周期

指令周期（也称为获取-解码-执行周期，或简称为获取-执行周期）是中央处理器 (CPU) 从启动到计算机关闭以处理指令所遵循的周期 . 它由三个主要阶段组成：取指阶段、解码阶段和执行阶段。

在更简单的 CPU 中，指令周期是按顺序执行的，每条指令在下一条指令开始之前被处理。 在大多数现代 CPU 中，指令周期是通过指令流水线并发执行的，而且通常是并行执行的：下一条指令在前一条指令完成之前开始处理，这是可能的，因为周期被分解成单独的步骤。

程序计数器（PC）是一个特殊的寄存器，保存着下一条要执行的指令的内存地址。 在获取阶段，PC 中存储的地址被复制到内存地址寄存器 (MAR) 中，然后 PC 递增以指向下一条要执行的指令的内存地址。 然后，CPU 在 MAR 描述的内存地址处获取指令，并将其复制到内存数据寄存器 (MDR) 中。 MDR 还充当双向寄存器，用于保存从内存中获取的数据或等待存储在内存中的数据（因此也称为内存缓冲寄存器 (MBR)）。 最终，MDR 中的指令被复制到当前指令寄存器 (CIR) 中，该寄存器充当刚刚从内存中获取的指令的临时存放地。

在解码阶段，控制单元（CU）将解码 CIR 中的指令。 然后，CU 将信号发送到 CPU 内的其他组件，例如算术逻辑单元 (ALU) 和浮点单元 (FPU)。 ALU 执行算术运算，例如加法和减法，还可以通过重复加法进行乘法运算，通过重复减法进行除法运算。 它还执行逻辑运算，例如 AND、OR、NOT 和二进制移位。 FPU 保留用于执行浮点运算。

每台计算机的CPU根据不同的指令集可以有不同的周期，但都会类似下面的周期：

• 取指阶段：从程序计数器当前存储的内存地址中取下一条指令，存入指令寄存器。 在获取操作结束时，PC 指向将在下一个周期读取的下一条指令。
• 解码阶段：在此阶段，指令寄存器中的编码指令由解码器解释。
  • 读取有效地址：在内存指令（直接或间接）的情况下，执行阶段将在下一个时钟脉冲期间。 如果指令有间接地址，则从主存中读取有效地址，并从主存中取出任何需要处理的数据，然后放入数据寄存器（时钟脉冲：T3）。 如果指令是直接指令，则在此时钟脉冲期间不执行任何操作。 如果这是 I/O 指令或寄存器指令，则操作在时钟脉冲期间执行。
• 执行阶段：CPU的控制单元将解码后的信息作为控制信号序列传递给CPU的相关功能单元，以执行指令所需的动作，例如从寄存器中读取值，将它们传递给 ALU 对它们执行数学或逻辑函数，并将结果写回寄存器。 如果涉及 ALU，它会将条件信号发送回 CU。 运算产生的结果存储在主存储器中或发送到输出设备。 根据 ALU 的反馈，PC 可能会更新到一个不同的地址，下一条指令将从该地址获取。
• 重复循环

此外，在大多数处理器上都可能发生中断。 这将导致 CPU 跳转到中断服务程序，执行该程序然后返回。 在某些情况下，一条指令可以在中途被中断，该指令不会有任何效果，但会在从中断返回后重新执行。

系统一通电，循环就开始了，初始 PC 值由系统架构预定义。

通常，此地址指向只读存储器 (ROM) 中的一组指令，这些指令开始加载（或引导）操作系统的过程。

每条指令的获取步骤都是相同的：

• CPU将PC的内容发送给MAR，并在控制总线上发送读取命令
• 响应读命令（地址等于PC），内存返回存储在内存位置ind的数据