指令周期
CPU每取出一条指令并执行这条指令，都要完成一系列的操作，这一系列的操作所需的时间通常叫做一个指令周期。换言之，指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间。
图6.4-1 基本指令周期
图6.4-2 指令周期状态图
表5.1 列出了由6条指令组成的一个简单程序。其中既有RR型指令，又有RS型指令；既有算术逻辑指令，又有访存指令。
指 令 存 储 器 | 八进制地址 | 指令助记符 | 说明 |
100 101 102 103 104 105 106 |
MOV RO,R1 LAD R1，6 ADD R1，R2 STO R2，(R3) JMP 101 AND R1，R3 | 程序执行前(R0)=00，(R1)=10，(R2)=20，(R3)=30 传送指令MOV执行（R1）→R0 取数指令LAD从数存6号单元取数（100）→R1 加法指令ADD执行（R1）+（R2）→R2，结果为（R2）=120 存数指令STO用（R3）间接寻址，（R2）=120写入数存30号单元 转移指令JMP改变程序执行顺序到101号单元 逻辑乘AND指令执行（R1）·（R3）→R3
|
数据存储器 | 八进制地址 | 八进制数据 | 说明 |
5 6 7 10 · · · 30 | 70 100 66 77 · · · 40(120) |
执行LAD指令后，数存6号单元的数据100仍保存在其中
执行STO指令后，数存30号单元的数据由40变为120 |
MOV指令的指令周期
MOV是一条RR（寄存器-寄存器）型指令，需要两个CPU周期，其中取指周期需要一个CPU周期，执行周期需要一个CPU周期。
图6.4-3 MOV指令的指令周期
取指周期中CPU完成三件事：
从指存中取出指令；
对程序计数器PC加1，以便为取下一条指令做好准备；
对指令操作码进行译码或测试，以便确定进行什么操作；
执行周期中CPU根据对指令操作码的译码或测试，进行指令所要求的操作。对MOV指令来说，执行周期完成两个通用寄存器
、
之间的数据传送操作。
取指周期：
程序计数器PC中状图第一条指令地址101（八进制）
PC的内容被放到指令地址总线ABUS（I）上，对指存进行译码，并启动读命令；
从101号地址读出的MOV指令通过指令总监IBUS装入指令寄存器IR；
程序计数器内容加1，变成102，为取下一条指令做好准备；
指令寄存器中的操作码（OP）被译码；
CPU识别出是MOV指令。至此，取指周期执行结束；
执行周期
操作控制器（OC）送出控制信号到通用寄存器，选择（10）作源寄存器，选择（10）作目标寄存器；
OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作；
OC送出控制信号，打开ALU输出三态门，将ALU输出送到数据总监DBUS上。注意，任何时候DBUS上只能有一个数据；
OC送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）；
OC送出控制信号，将DR中的数据10打入到目标寄存器，的内容由00遍为10。
至此，MOV指令执行结束。
LAD指令的指令周期
LAD指令是RS型指令，它先从指令存储器取出指令，然后从数据存储器6号单元取出数据100装入通用寄存器，原来
中存放的数据10被更换成100.由于一次访问指存，一次访问数存，LAD指令的指令周期需要三个CPU周期。
图6.4-4 LAD指令的指令周期
取指周期
CPU的动作完全与MOV指令取指周期中一样，只是PC提供的指令地址为102，按此地址从指令存储器读
ADD指令的指令周期
ADD指令是RR型指令，在运算器中用两个寄存器和
的数据进行加法运算。指令周期只需两个CPU周期，其中一个是取指周期，和MOV指令相同，执行周期完成的动作如下：
（1）操作控制器OC送出控制命令到通用寄存器，选择做源寄存器，
做目标寄存器；
（2）OC送出控制命令到ALU，制定ALU做（100）和（20）的加法操作；
（3）OC送出控制命令，打开ALU输出三态门，运算结果120放到DBUS上；
（4）OC送出控制命令，将DBUS上数据打入缓冲寄存器DR；ALU产生的进位信号保存状态字寄存器在PSW中；
（5）OC送出控制命令，将DR（120）装入，中原来的内容20被冲掉。至此，ADD指令执行周期结束。
STO指令的指令周期
STO指令是RS型执行，它先方位指存取出STO指令，然后按（
）=30地址访问数存，将（）=120写入到30号单元。由于一次访问指存，一次访问数存，因此指令周期需3个CPU周期，其中执行周期为2个CPU周期，取指周期和MOV指令相同，执行周期为2个CPU周期，CPU完成如下动作：
图6.4-5 STO指令的指令周期
（1）操作控制器OC送出操作命令到通用寄存器，选择（）=30做数据存储器的地址单元；
（2）OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门（不经ALU以节省时间），将地址30放到DBUS上；
（3）OC发出操作命令，将地址30打入AR，并进行数存地址译码；
（4）OC发出操作命令到通用寄存器，选择（）=120，作为数存的写入数据；
（5）OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将数据120放到DBUS上；
（6）OC发出操作命令，将数据120写入数存30号单元，它原先的数据40被冲掉。至此，STO指令执行周期结束。
JMP指令的指令周期
JMP指令是一条无条件转移指令，用来改变程序的执行顺序。指令周期为两个CPU周期。一个取指周期，一个执行周期。
图6.4-6 JMP指令的指令周期
（1）OC发出操作控制命令，打开指令寄存器IR的输出三态门，将IR中的地址吗101 发送到DBUS上；
（2）OC发出操作控制命令，将DBUS上的地址吗101打入到程序计数器PC中，PC中的原先内容106被更换。于是下一条指令不是从106号单元取出，而是转移到101号单元取出。至此JMP指令执行周期结束。
用方框图语言表示指令周期
在进行计算机设计时，一个方框代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作。除了方框以外，还需要一个菱形符号，它通常用来表示某种判别或测试，不过时间上它依附于紧接它的前面一个方框的CPU周期，而不单独占用一个CPU周期。符号“~”为公操作符号。这个符号表示已经执行完毕，转入公操作。所谓公操作，就是一条指令执行完毕后，CPU所开始的一些操作，这些操作主要是CPU对外围设备请求的处理，如中断处理、通道处理等。由于所有指令的取指周期是完全一样的，因此，取指令也可认为是公操作。一条指令执行结束后，如果没有外设请求，CPU一定转入“取指令”操作。
图6.4-7 用方框图语言表示指令周期
把前面的五条典型指令用方框图语言表示的指令周期如图所示。所有指令的取指周期是完全相同的，而且是一个CPU周期。指令的执行周期，由于各条指令的功能不同，所用的CPU周期是各不相同的，其中MOV、ADD、JMP指令是一个CPU周期；LAD和STO指令是两个CPU周期。图中DBUS代表数据总线，ABUS(D)代表数存地址总线，ABUS（I)代表指存地址总线，RD(D)代表数存读命令，WE(D)代表数存写命令，RD(I)代表指存读命令。
例题
如图所示为双总线结构机器的数据通路，IR为指令寄存器，PC为程序计数器（具有自增功能），M为主存（受R/W信号控制），它既存放指令又存放数据，AR为地址寄存器，DR为数据缓存寄存器，ALU由加、减控制信号决定完成何种操作，控制信号G控制的是一个门电路，它相当于两条总线之间的桥。控制信号G控制的是一个门电路。
1.“ADDR2，R0”指令完成（R0）+（R2）→R0功能操作，画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入PC中。并列出相应的微操作控制信号序列。
2.“SUBR1，R3”指令完成（R3）-（R1）→R3的功能操作，画出其指令周期流程图，并列出相应的微操作控制信号序列。
图6.4-8 双总线结构机器的数据通路
解：
图6.4-9 加法和减法指令的指令流程图
数据通路的功能和基本结构
数据通路的功能
数据在功能部件之间传输的路径称为数据通路。 运算器与各寄存器之间的传送路径就是中央处理器的内部数据通路。
数据通路描述了信息从什么地方开始， 中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器， 这些都要加以控制。
建立数据通路的任务是由“操作控制部件”来完成的。 数据通路的功能是实现CPU内部的运算器与寄存器及寄存器之间的数据交换。
数据通路的基本结构
数据通路的基本接哦古主要有以下几种：
(1) CPU内部单总线方式：将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共通路上， 这种结构比较简单， 单数据传输存在较多的冲突现象，性能较低。 连接各部件的总线只有一条时，称为单总线结构；CPU中有两条或更多的总线时，构成双总线接哦古或多总线结构。
（2）CPU内部三总线方式。 将所有寄存器的输入端和输出端都连接到多条公共通路上，相比之下单总线中的一个时钟内只允许传一个数据， 因而指令执行效率很低，因此采用多总线方式， 同时在多个总线上传送不同的数据，提高效率。
（3）专用数据通路方式：根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接线路， 避免使用共享的总线， 性能较高， 但硬件量大。
