指令周期

指令周期，讀取－執行周期（fetch-and-execute cycle）是指CPU要執行指令經過的步驟。

計算機之所以能自動地工作，是因為CPU能從存放程序的內存里取出一條指令並執行這條指令；緊接著又是取指令，執行指令，如此周而復始，構成了一個封閉的循環。除非遇到停機指令，否則這個循環將一直繼續下去。

指令周期 :CPU從內存取出一條指令並執行這條指令的時間總和。

CPU周期 :又稱機器周期，CPU訪問一次內存所花的時間較長，因此用從內存讀取一條指令字的最短時間來定義。

時鐘周期: 通常稱為節拍脈衝或T周期。一個CPU周期包含若干個時鐘周期。

CLA是一條非訪內指令，它需要兩個CPU 周期，其中取指令階段需要一個CPU周期，執行指令階段需要一個CPU周期。

1、取指令階段

(1)程序計數器PC的內容20(八進位)被裝入地址寄存器AR；

(2)程序計數器內容加1，變成21，為取下一條指令做好準備；

(3)地址寄存器的內容被放到地址匯流排上；

(4)所選存儲器單元20的內容經過數據匯流排，傳送到數據緩衝寄存器DR；

(5)緩衝寄存器的內容傳送到指令寄存器IR；

(6)指令寄存器中的操作碼被解碼或測試；

(7)CPU識別出是指令CLA，至此，取指令階段即告結束。

2、執行指令階段

(1)操作控制器送一控制信號給算術邏輯運算單元ALU；

(2)ALU響應該控制信號，將累加寄存器AC的內容全部清零，從而執行了CLA指令。

1.送操作數地址

第二個CPU周期主要完成送操作數地址。在此階段，CPU的動作只有一個，那就是把指令寄存器中的地址碼部分(30)裝入地址寄存器，其中30為內存中存放操作數的地址。

2.兩操作數相加

第三個CPU周期主要完成取操作數並執行加法操作中。在此階段，CPU完成如下動作：

(1)把地址寄存器中的操作數的地址發送到地址匯流排上。

(2)由存儲器單元30中讀出操作數，並經過數據匯流排傳送到緩衝寄存器。

(3)執行加操作：由數據緩衝寄存器來的操作數可送往ALU 的一個輸入端，已等候在累加器內的另 一個操作數(因為CLA指令執行結束后累加器內容為零)送往ALU的另一輸入端，於是ALU將兩數相加，產生運算結果為0+6=6。這個結果放回累加器，替換了累加器中原先的數0 。

STA指令的指令周期由三個CPU周期組成。

1.送操作數地址

在執行階段的第一個CPU周期中，CPU完成的動作是把指令寄存器中地址碼部分的形式地址40裝到地址寄存器。其中數字40是操作數地址。

2.存儲和數

執行階段的第二個CPU周期中，累加寄存器的內容傳送到緩衝寄存器，然後再存入到所選定的存儲單元(40)中。CPU完成如下動作：

(1)累加器的內容被傳送到數據緩衝寄存器DR；

(2)把地址寄存器的內容發送到地址匯流排上，即為將要存入的數據6的內存單元號；

(3)把緩衝寄存器的內容發送到數據匯流排上；

(4)數據匯流排上的數寫入到所選中的存儲器單元中，即將數6寫入到存儲器40號單元中。注意 在這個操作之後，累加器中仍然保留和數6，而存儲器40號單元中原先的內容被衝掉。

第四條指令即“NOP”指令，這是一條空操作指令。其中第一個CPU周期中取指令，CPU把23號單元的“NOP”指令取出放到指令寄存器，第二個CPU周期中執行該指令。因解碼器譯出是“NOP”指令，第二個CPU周期中操作控制器不發出任何控制信號。NOP指令可用來調機之用。

1.第一個CPU周期（取指令階段）

CPU把24號單元的“JMP 21”指令取出放至指令寄存器，同時程序計數器內容加1，變為25，從而取下一條指令做好準備。

2.第二個CPU周期（執行階段）

CPU把指令寄存器中地址碼部分21送到程序計數器，從而用新內容21代替PC原先的內容25。這樣，下一條指令將不從25單元讀出，而是從內存21單元開始讀出並執行，從而改變了程序原先的執行順序。

注意 執行“JMP 21”指令時，我們此處所給的四條指令組成的程序進入了死循環，除非人為停機，否則這個程序將無休止地運行下去，因而內存單元40中的和數將一直不斷地發生變化。當然，我們此處所舉的轉移地址21是隨意的，僅僅用來說明轉移指令能夠改變程序的執行順序而已。

指令不同，所需的機器周期數也不同。對於一些簡單的的單位元組指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即解碼執行，不再需要其它的機器周期。對於一些比較複雜的指令，例如轉移指令、乘法指令，則需要兩個或者兩個以上的機器周期。

從指令的執行速度看，單位元組和雙位元組指令一般為單機器周期和雙機器周期，三位元組指令都是雙機器周期，只有乘、除指令佔用4個機器周期。

因此在進行編程時，在完成相同工作的情況下，選用佔用機器周期少的命令會提高程序的執行速率，尤其是在編寫大型程序程序的時候，其效果更加明顯。