CPU中的指令周期、CPU周期和时钟周期

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（ControlUnil）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。

第二步：指令译码第三步：次行指令

控制器将指令*析成不同的ALU根据编入信号和

at作信号以及地域和摞作数数据迸行实际的运算

第一步：取海令

从主内存读取机器

码指令到控制罂

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(TnstrnctionCycle)：取出并执行一条指令的时间c

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诃。

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。

指令总助

mnruc&onCycle

机行一条完瞽招令

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,

⑵形成后继指令的地址；

取指周期=（指令的长度/存储字的长度）X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，提高取韦的速度。

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PSWo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。实际

上，不同的指令可以有不同的机器周期个数，而每个机器周期又可包含不同的时

钟脉冲个数。

在CPU的控制中除了有取指周期、取操作数周期、执行周期外，还有中断

周期、总线周期及I/O周期。中断周期用于完成现行程序与中断处理程序间的切

换，总线周期用于完成总线操作及总线控