指令周期的四个阶段详解

指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间。一般由若干个机器周期组成，是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。

指令周期类型有非访内指令的指令周期、取数指令的指令周期、存数指令的指令周期、空操作指令和转移指令的指令周期。

指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。

从指令的执行速度看，单字节和双字节指令一般为单机器周期和双机器周期，三字节指令都是双机器周期，只有乘、除指令占用4个机器周期。

因此在进行编程时，在完成相同工作的情况下，选用占用机器周期少的命令会提高程序的执行速率，尤其是在编写大型程序程序的时候，其效果更加明显。

指令周期的四个阶段

非访内指令的指令周期

CLA是一条非访内指令，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。

1、取指令阶段

（1）程序计数器PC的内容20（八进制）被装入地址寄存器AR；

（2）程序计数器内容加1，变成21，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20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CLA，至此，取指令阶段即告结束。

2、执行指令阶段

（1）操作控制器送一控制信号给算术逻辑运算单元ALU；

（2）ALU响应该控制信号，将累加寄存器AC的内容全部清零，从而执行了CLA指令。

取数指令的指令周期

1.送操作数地址

第二个CPU周期主要完成送操作数地址。在此阶段，CPU的动作只有一个，那就是把指令寄存器中的地址码部分（30）装入地址寄存器，其中30为内存中存放操作数的地址。

2.两操作数相加

第三个CPU周期主要完成取操作数并执行加法操作中。在此阶段，CPU完成如下动作：

（1）把地址寄存器中的操作数的地址发送到地址总线上。

（2）由存储器单元30中读出操作数，并经过数据总线传送到缓冲寄存器。

（3）执行加操作：由数据缓冲寄存器来的操作数可送往ALU 的一个输入端，已等候在累加器内的另一个操作数（因为CLA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+6=6。这个结果放回累加器，替换了累加器中原先的数0 。

存数指令的指令周期

STA指令的指令周期由三个CPU周期组成。

1.送操作数地址

在执行阶段的第一个CPU周期中，CPU完成的动作是把指令寄存器中地址码部分的形式地址40装到地址寄存器。其中数字40是操作数地址。

2.存储和数

执行阶段的第二个CPU周期中，累加寄存器的内容传送到缓冲寄存器，然后再存入到所选定的存储单元（40）中。CPU完成如下动作：

（1）累加器的内容被传送到数据缓冲寄存器DR；

（2）把地址寄存器的内容发送到地址总线上，即为将要存入的数据6的内存单元号；

（3）把缓冲寄存器的内容发送到数据总线上；

（4）数据总线上的数写入到所选中的存储器单元中，即将数6写入到存储器40号单元中。注意 在这个操作之后，累加器中仍然保留和数6，而存储器40号单元中原先的内容被冲掉 。

空操作指令和转移指令的指令周期

第四条指令即“NOP”指令，这是一条空操作指令。其中第一个CPU周期中取指令，CPU把23号单元的“NOP”指令取出放到指令寄存器，第二个CPU周期中执行该指令。因译码器译出是“NOP”指令，第二个CPU周期中操作控制器不发出任何控制信号。NOP指令可用来调机之用。

1.第一个CPU周期（取指令阶段）

CPU把24号单元的“JMP 21”指令取出放至指令寄存器，同时程序计数器内容加1，变为25，从而取下一条指令做好准备。

2.第二个CPU周期（执行阶段）

CPU把指令寄存器中地址码部分21送到程序计数器，从而用新内容21代替PC原先的内容25。这样，下一条指令将不从25单元读出，而是从内存21单元开始读出并执行，从而改变了程序原先的执行顺序。

注意 执行“JMP 21”指令时，我们此处所给的四条指令组成的程序进入了死循环，除非人为停机，否则这个程序将无休止地运行下去，因而内存单元40中的和数将一直不断地发生变化。当然，我们此处所举的转移地址21是随意的，仅仅用来说明转移指令能够改变程序的执行顺序而已