CPU原理之指令周期

Posted by WGrape的博客 on October 4, 2022

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前言

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一、介绍

指令周期,又称读取-执行周期(fetch-and-execute cycle)是指CPU要执行一条机器指令经过的步骤,由若干机器周期组成。

指令周期是取出并执行一条指令的时间,也即CPU完成一条指令的时间叫做指令周期。

指令周期是指CPU要执行一条机器指令经过的步骤,由若干机器周期组成。一共是4步前两步称为取指周期,后两步为执行周期。

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二、指令周期组成

一般一条完整的指令包括:取指周期、间址周期、执行周期、中断周期。

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  • 取指周期: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。
  • 间址周期:当遇到间接寻址的指令时,由于指令字中只给出操作数有效地址的地址,因此,为了取出操作数,需先访问一次存储器,取出有效地址,然后再访问存储器,取出操作数。
  • 执行周期:间址周期是取出操作数的有效地址。执行周期是取出操作数,并执行。
  • 中断周期:当CPU采用中断方式实现主机与I/O交换信息时,CPU在每条指令执行阶段结束前, 都要发中断查询信号,以检测是否有某个I/O提出中断请求。如果有请求,CPU则要进入中断响应阶段,又称中断周期。在这阶段, CPU必须将程序断点保存到存储器中。
  • 总线周期:通常指的是CPU完成一次访问MEM或I/O端口操作所需要的时间。

三、机器周期 / CPU 时钟周期

CPU时钟周期通常为节拍脉冲或T周期,即主频的倒数,它是处理操作的最基本的单位。

指令周期常常有若干个CPU周期,CPU周期也称为机器周期。由于CPU访问一次内存所花费的时间较长,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。

四、时钟周期 / 振荡周期

振荡 :在反应器中某空间位置上的浓度或(和)温度发生 周期性变化 的现象 石英材质决定在一定的条件下,可以发生相应固定频率的振荡,因此其被用作CPU时钟以产生固定的脉冲,来控制处理器的速度。

振荡器

时钟周期本质为振荡周期,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。时钟周期是一个时间的量。时钟周期表示了SDRAM所能运行的最高频率。更小的时钟周期就意味着更高的工作频率。

五、时钟频率

时钟是施加在电路上的有一定频率的脉冲信号,用于同步电路中各个模块之间的协同工作,否则整个电路工作将会紊乱,无法保证一致性。

时钟频率(clock rate)是指同步电路中时钟的基础频率,它以“每秒时钟周期”(clock cycles per second)来度量,量度单位采用SI单位赫兹(Hz)。