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计算机指令要素,【计算机系统】CPU指令执行流程与指令流水线原理

取指的程序计数器和译码的程序计数器

【计算机系统】CPU指令执行流程与指令流水线原理

一、指令执行流程

冯诺依曼架构CPU指令执行的五个阶段:

阶段

涉及的功能部件

IF

指令寄存器IR、程序计数器PC

ID

指令译码器ID

EXE

CPU内各个单元:ALU、Cache、Registers .etc

MEM

WB

状态寄存器FR、Registers. etc

表1

在上述各阶段CPU与内存的交互时,还涉及系统总线如AB、CB、DB等

1、取指阶段(IF, Instruction Fetch)

在上一个指令周期时,程序计数器PC中记录的是下一条指令的内存地址。因此IF阶段CPU指令寄存器按照PC的地址从主存中取得一条指令,当前指令被取出后,PC更新到下一条指令的地址。

2、指令译码阶段(ID, Instruction Decode)

在ID阶段,指令译码器按照预定的指令格式,对取回的指令进行拆分和解释,识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。

3、执行指令阶段(EXE, Execute)

通过对指令的译码,CPU已经知晓这条指令要如何执行,因此EXE阶段就是通过操作控制器OC,按确定的时序向相应的部件发出微操作控制信号以对指令要求的特定操作进行具体实现。EXE阶段CPU的不同部分(如ALU、寄存器组等)被联合起来,以实现指令所需的操作。

4、访存取数阶段(MEM, Memory)

根据指令需要可能要访问内存,读取操作数。MEM阶段根据指令地址码(如果有要求的话)得到操作数在主存中的地址,并从主存中读取该操作数用于

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