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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(Control Unit)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(Instruction Cycle):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(Clock Cycle):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。