(7)--CPU中的指令周期、CPU周期和时钟周期.docVIP

CPU中的指令周期、CPU周期和时钟周期

计算机中我们常常会混淆指令周期、CPU周期和时钟周期，要区分这些并不难，但要想彻底弄懂这些，就得要求我们对CPU底层有一定了解。

一.指令周期

指令周期：是指计算机从取指到指令执行完毕的时间

计算机执行指令的过程可以分为以下三个步骤：

Fetch（取指），也就是从PC寄存器里找到对应的指令地址，根据指令地址从内存里把具体的指令，加载到指令寄存器中，然后把PC寄存器自增，好在未来执行下一条指令。

Decode（译码），也就是根据指令寄存器里面的指令，解析成要进行什么样的操作，是R、I、J中的哪一种指令，具体要操作哪些寄存器、数据或者内存地址。

Execute（执行指令），也就是实际运行对应的R、I、J这些特定的指令，进行算术逻辑操作、数据传输或者直接的地址跳转。

在取指令的阶段，我们的指令是放在存储器（也就是内存）里的，实际上，通过?PC寄存器和指令寄存器取出指令的过程，是由控制器（ControlUnit）操作的。指令的解码过程，也是由控制器进行的。一旦到了执行指令阶段，无论是进行算术操作、逻辑操作的R型指令，还是进行数据传输、条件分支的I型指令，都是由算术逻辑单元（ALU）操作的，也就是由运算器处理的。不过，如果是一个简单的无条件地址跳转，那么我们可以直接在控制器里面完成，不需要用到运算器。

指令生命周期

二.CPU周期

CPU周期亦称机器周期，在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。

例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作（注意：每一个基本操作都是由若干CPU最基本的动作组成）。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。

三.时钟周期

时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟频率的倒数。时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。

四.周期之间的关系

指令周期（InstructionCycle）：取出并执行一条指令的时间。

CPU周期：一条指令执行过程被划分为若干阶段，每一阶段完成所需时间。

时钟周期（ClockCycle）：又称震荡周期，是处理操作的最基本单位。

对于一个指令周期来说，我们取出一条指令，然后执行它，至少需要两个CPU周期。取出指令至少需要一个CPU周期，执行至少也需要一个CPU周期，复杂的指令则需要更多的CPU周期。而一个CPU周期是若干时钟周期之和。

周期之间关系

所以，我们说一个指令周期，包含多个CPU周期，而一个CPU周期包含多个时钟周期。

计算机之所以能自动地工作是因为CPU能从存放程序的内存中取出一条指令并执行这条指令；紧接着又是取下一条指令，执行下一条指令…，如此周而复始，构成一个封闭的循环。除非遇到停机指令，否则这个循环将一直继续下去。

通常将一条指令从取出到执行完毕所需要的时间称为指令周期。对应指令执行的三个阶段，指令周期一般分为：取指周期、取操作数周期和执行周期三个部分。?

第一，取指周期：取指周期是取出某条指令所需的时间。

在取指周期中ＣＰＵ主要完成两个操作：(1)按程序计数器PC的内容取指令，(2)形成后继指令的地址；?

取指周期=(指令的长度/存储字的长度)×主存的读/写周期?

我们可以用设计指令格式时缩短指令长度、设计主存时增加主存储字字宽和采用快速的主存等措施来缩短取指周期，提高取指的速度。

第二，取操作数周期：取操作数周期是为执行指令而取操作数所需的时间。

取操作数周期的长短与操作数的个数有关、与操作数所处的物理位置有关还与操作数的寻址方式有关。取操作数周期中应完成的操作是，计算操作数地址并取出操作数。操作数有效地址的形成由寻址方式确定。寻址方式不同，有效地址获得的方式不同、过程不同,提供操作数的途径也不同。因此操作数周期所进行的操作对不同的寻址方式是不相同的。?

第三，执行周期：执行周期是完成指令所规定的操作和送结果所需的时间。

它与指令规定的操作复杂程序有关。例如，一条加法指令与一条乘法指令的指令周期亦不相同。执行周期还与目的操作数的物理位置和寻址方式有关。状态信息中的条件码在执行周期中存入程序状态字PSW。若该指令是转移指令，在该周期中还要生成转移地址。

指令周期常常用若干个CPU周期表示，CPU周期也称为机器周期。由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次内存所花的时间较长，因此通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期。每个机器周期又包含若干个时钟周期。

一个指令周期包含的机器周期个数亦与指令所要求的动作有关，如单操作数指令，只需要一个取操作数周期，而双操作数指令需要两个取操作数周期。