CPU Cycle(CPU 周期)、Instruction Cycle(指令周期)、Clock Cycle(时钟周期)

基本概念

在组成原理以及体系结构中经常遇到 CPU Cycle(CPU 周期)、Instruction Cycle(指令周期)、Clock Cycle(时钟周期)这些概念,这篇文章详细拆解一下他们之间联系与区别。废话不多说,直接开门见山给出对应的概念。

CPU Cycle:CPU 内部的操作速度很快,但是访问内存的速度却要慢很多。 每一条指令都需要从内存里面加载而来,所以我们一般把从内存里面读取一条指令的最短时间,称为 CPU 周期。

Instruction Cycle:一个永不停歇的“Fetch - Decode - Execute”的循环,我们把这个循环称之为指令周期(Instruction Cycle)

Clock Cycle:也就是时钟周期以及我们机器的主频。一个 CPU 周期,通常会由几个时钟周期累积起来。一个 CPU 周期的时间,就是这几个 Clock Cycle 的总和。

解析指令和机器码

我们就从平时用的电脑、手机这些设备来说起。这些设备的 CPU 到底有哪些指令呢?这个还真有不少,我们日常用的 Intel CPU,有 2000 条左右的 CPU 指令,实在是太多了,所以我没法一一来给你讲解。不过一般来说,常见的指令可以分成五大类。

第一类是算术类指令。我们的加减乘除,在 CPU 层面,都会变成一条条算术类指令。

第二类是数据传输类指令。给变量赋值、在内存里读写数据,用的都是数据传输类指令。

第三类是逻辑类指令。逻辑上的与或非,都是这一类指令。

第四类是条件分支类指令。日常我们写的“if/else”,其实都是条件分支类指令。

最后一类是无条件跳转指令。写一些大一点的程序,我们常常需要写一些函数或者方法。在调用函数的时候,其实就是发起了一个无条件跳转指令。

你可能一下子记不住,或者对这些指令的含义还不能一下子掌握,这里我画了一个表格,给你举例子说明一下,帮你理解、记忆。

CPU Cycle(CPU 周期)、Instruction Cycle(指令周期)、Clock Cycle(时钟周期)_第1张图片

 

下面我们来看看,汇编器是怎么把对应的汇编代码,翻译成为机器码的。

我们说过,不同的 CPU 有不同的指令集,也就对应着不同的汇编语言和不同的机器码。为了方便你快速理解这个机器码的计算方式,我们选用最简单的 MIPS 指令集,来看看机器码是如何生成的。

MIPS 是一组由 MIPS 技术公司在 80 年代中期设计出来的 CPU 指令集。就在最近,MIPS 公司把整个指令集和芯片架构都完全开源了。想要深入研究 CPU 和指令集的同学,我这里推荐一些资料,你可以自己了解下。

CPU Cycle(CPU 周期)、Instruction Cycle(指令周期)、Clock Cycle(时钟周期)_第2张图片

 MIPS 的指令是一个 32 位的整数,高 6 位叫操作码(Opcode),也就是代表这条指令具体是一条什么样的指令,剩下的 26 位有三种格式,分别是 R、I 和 J。

R 指令是一般用来做算术和逻辑操作,里面有读取和写入数据的寄存器的地址。如果是逻辑位移操作,后面还有位移操作的位移量,而最后的功能码,则是在前面的操作码不够的时候,扩展操作码表示对应的具体指令的。

I 指令,则通常是用在数据传输、条件分支,以及在运算的时候使用的并非变量还是常数的时候。这个时候,没有了位移量和操作码,也没有了第三个寄存器,而是把这三部分直接合并成了一个地址值或者一个常数。

J 指令就是一个跳转指令,高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址。

add $t0,$s2,$s1

我以一个简单的加法算术指令 add t0,�0,s1, $s2, 为例,给你解释。为了方便,我们下面都用十进制来表示对应的代码。

对应的 MIPS 指令里 opcode 是 0,rs 代表第一个寄存器 s1 的地址是 17,rt 代表第二个寄存器 s2 的地址是 18,rd 代表目标的临时寄存器 t0 的地址,是 8。因为不是位移操作,所以位移量是 0。把这些数字拼在一起,就变成了一个 MIPS 的加法指令。

为了读起来方便,我们一般把对应的二进制数,用 16 进制表示出来。在这里,也就是 0X02324020。这个数字也就是这条指令对应的机器码。

CPU Cycle(CPU 周期)、Instruction Cycle(指令周期)、Clock Cycle(时钟周期)_第3张图片

 

指令周期(Instruction Cycle)

前面讲计算机机器码的时候,我向你介绍过 PC 寄存器、指令寄存器,还介绍过 MIPS 体系结构的计算机所用到的 R、I、J 类指令。如果我们仔细看一看,可以发现,计算机每执行一条指令的过程,可以分解成这样几个步骤。

1.Fetch取得指令),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。

2.Decode指令译码),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。

3.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。

4. 重复进行 1~3 的步骤。

这样的步骤,其实就是一个永不停歇的“Fetch - Decode - Execute”的循环,我们把这个循环称之为指令周期(Instruction Cycle)。

CPU Cycle(CPU 周期)、Instruction Cycle(指令周期)、Clock Cycle(时钟周期)_第4张图片

 在这个循环过程中,不同部分其实是由计算机中的不同组件完成的。

在取指令的阶段,我们的指令是放在存储器里的,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。

CPU Cycle(CPU 周期)、Instruction Cycle(指令周期)、Clock Cycle(时钟周期)_第5张图片

除了 Instruction Cycle 这个指令周期,在 CPU 里面我们还会提到另外两个常见的 Cycle。一个叫Machine Cycle机器周期或者CPU 周期。CPU 内部的操作速度很快,但是访问内存的速度却要慢很多。每一条指令都需要从内存里面加载而来,所以我们一般把从内存里面读取一条指令的最短时间,称为 CPU 周期。

还有一个是我们之前提过的Clock Cycle,也就是时钟周期以及我们机器的主频。一个 CPU 周期,通常会由几个时钟周期累积起来。一个 CPU 周期的时间,就是这几个 Clock Cycle 的总和。

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。

CPU Cycle(CPU 周期)、Instruction Cycle(指令周期)、Clock Cycle(时钟周期)_第6张图片

 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。

 

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