CPU原理之指令周期

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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。

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。

• 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。

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）。