一、指令周期

1. 定義與組成

• 定義：CPU取出并執行一條指令所需的全部時間，稱為指令周期。
• 子周期劃分：
  1. 取指周期（必選）：從存儲器取指令到指令寄存器（IR）。
  2. 間址周期（可選）：處理間接尋址，獲取操作數的真實地址。
  3. 執行周期（必選）：執行指令規定的操作。
  4. 中斷周期（可選）：處理中斷請求。
• 特性：
  • 不同指令的周期長度不同。
  • 取指和執行周期必然存在，間址和中斷周期視情況觸發。
  • 每個子周期由多個時鐘周期構成（時鐘周期是CPU最小時間單位）。

2. 機器周期

• 定義：人為設計的時間單位，通常等于一次訪存時間（當指令字長=存儲字長時，機器周期=取指周期）。
• 與存儲字長關系：反映存取一個存儲單元的時間。
• 實際應用：
  • 指令字長為存儲字長的倍數時，取指周期需多個機器周期（例：指令占2個存儲單元 → 取指需2個機器周期）。
  • 間址、執行、中斷周期的機器周期數因指令而異。

• 判斷流程：
  • 間址周期：僅在間接尋址時觸發（Y/N）。
  • 中斷周期：僅在檢測到中斷請求時觸發（Y/N）。

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二、指令執行過程

1. 取指令

• 核心機制：程序計數器（PC）指向下條指令地址，通過訪存將指令送入指令寄存器（IR）。
• 細節：
  • 可能經過內存數據寄存器（MDR）中轉或直接進入IR。
  • 例：PC=103，從主存地址103取指令。
• PC自增：取指后，PC自動增加，增量由指令字長和編址方式決定。

2. 譯碼

• 操作：對IR中的操作碼進行譯碼，生成對應控制信號。
• 示例（ADD指令，隱含尋址）：
  • 一個操作數地址由指令給出（如104）。
  • 另一個操作數隱含在累加器（ACC）中。

3. 源操作數地址計算并取操作數

• 尋址處理：
  • 根據尋址方式計算有效地址。
  • 存儲器數據可能需多次訪存。
• 示例（隱含尋址）：
  • 從指令解析地址104，讀取104處數據到寄存器。
  • 另一操作數直接從ACC獲取。

4. 執行數據操作

• 過程：
  • 操作數送入ALU執行運算（如加法）。
  • 結果暫存于ALU輸出端寄存器。
• 注意：復雜指令的執行周期較長。

5. 目的操作數地址計算并存結果

• 存儲方式：
  • 寄存器數據：直接寫入目標寄存器。
  • 存儲器數據：需計算目的地址并訪存。
• 特殊情形：目的地址可能需額外計算（如基址尋址）。

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三、指令周期的數據流

1. 取指周期數據流

• 流程：
  1. PC → MAR：將PC中的指令地址送入內存地址寄存器（MAR）。
  2. 發出讀命令：控制單元通過控制總線向存儲器發出讀信號，MAR地址通過地址總線傳至存儲器。
  3. 讀取指令：存儲器將指令讀出，經數據總線傳至MDR。
  4. 指令存入IR：MDR中的指令代碼送入IR。
  5. PC自增：PC值增加，增量由指令字長決定。

• 關鍵序列：PC → MAR → 主存 → MDR → IR，PC++。

2. 間址周期數據流

• 作用：解決間接尋址時無法直接獲取操作數地址的問題。
• 流程：
  1. 根據IR中地址碼確定操作數有效地址。
  2. 有效地址送入MAR。
  3. 發出讀命令，MAR指示的內存單元數據讀入MDR。
• 特點：讀取操作數本身，而非指令。

3. 執行周期數據流

• 特點：因指令類型不同，操作差異大，無統一數據流模板。
• 操作類型：包括算術邏輯運算、數據傳送、控制轉移等。

4. 中斷周期數據流（正常執行一個指令，中斷程序）

• 流程：
  1. 堆棧指針（SP）調整：SP減一（棧從高地址向低地址生長）。
  2. 棧地址傳送：SP值送入MAR。
  3. 斷點寫入準備：發出寫命令。
  4. 數據入棧：PC值（斷點地址）寫入棧。
  5. 中斷服務程序跳轉：將中斷向量地址送入PC。

• 調整堆棧指針：堆棧指針（SP）值減1，為保存斷點地址騰出棧空間。因為堆棧從高地址向低地址生長，SP減小指向新的棧頂。
• 傳送棧地址：將調整后的SP值送入內存地址寄存器（MAR），MAR存儲將要寫入斷點地址的棧頂地址。
• 發出寫命令：控制單元通過控制總線向主存發出寫命令，同時將MAR中的棧頂地址通過地址總線傳送到主存，準備寫入數據。
• 保存斷點地址：將程序計數器（PC）中的當前程序地址（斷點）通過數據總線寫入主存的棧頂地址（MAR指定的位置），完成PC值壓棧。
• 加載中斷向量地址：將中斷服務程序的入口地址（中斷向量地址，通常由中斷控制器提供）送入PC，更新PC值，準備跳轉到中斷服務程序。

• SP本質：邏輯寄存器，通過存儲地址值實現指向。

為什么需要將斷點地址設置為新的棧頂（SP減1）？

• 數據覆蓋風險：原SP地址可能已有數據，直接寫入會破壞棧結構。
• 違反棧操作規則：壓棧要求SP先減1再寫入，這是堆棧設計的標準邏輯。
• 影響后續操作：直接寫入原SP地址會導致棧頂指針混亂，后續壓棧或出棧操作可能出錯。
• 中斷返回錯誤：如果PC值未正確保存到新的棧頂，返回時可能跳轉到錯誤的地址，導致程序崩潰。

問題解答：中斷服務程序執行完后，SP會+1并繼續執行未執行的程序嗎？

答案：是的，執行完中斷服務程序后，CPU會通過出棧操作將堆棧指針（SP）加1，從棧中恢復中斷前的PC值，并繼續執行未完成的主程序。以下是具體流程和原因。