计算机组成原理：6.2.2 指令周期.ppt

计算机组成原理中的指令周期是CPU执行指令的基本时间单位，它是指从取指令开始到执行完该指令所需的时间。指令周期通常由多个时钟周期和机器周期组成，因为不同的指令执行步骤可能不同，需要的时间也会有所差异。 时钟周期是计算机中最基本的时间单位，它是时钟脉冲的倒数。如果时钟频率是1MHz，那么时钟周期就是1us；如果是4MHz，时钟周期则是250us。机器周期是在这个基础上设定的，通常用来表示完成一个基本操作所需的时间，如取指令、读写存储器等。一个机器周期通常由几个时钟周期构成。 指令周期包括了以下几个关键阶段： 1. 取指令周期：程序计数器(PC)的值被加载到地址寄存器(AR)，然后地址通过地址总线(ABUS)传输到内存，从内存中读取指令，并通过数据总线(DBUS)传回，存储到指令寄存器(IR)中。同时，PC的值会增加，以便于获取下一条指令的地址。 2. 取操作数周期（可选）：对于某些需要操作数的指令，如ADD，会在取指令之后进行取操作数的过程。操作数的地址从IR中提取，再加载到AR，通过ABUS发送到内存，内存数据返回并通过DBUS进入数据寄存器(DR)，然后可能进一步传递给累加器(AC)或其他算术逻辑单元(ALU)。 3. 执行周期：指令在IR中被解码，控制信号由操作控制器产生，根据指令的类型，ALU执行相应的操作，如加法、逻辑运算等。执行的结果可能更新到AC或其他寄存器。 以CLA（清除累加器）指令为例，它只需要一个指令周期，包括取指令和执行指令两个阶段。在执行阶段，累加器AC的值被清零。而ADD指令则需要两个指令周期，除了取指令和执行指令外，还需要取操作数，将操作数从内存读入并进行加法运算。 指令的执行速度和复杂性决定了其所需的指令周期数。简单指令如CLA可以在一个机器周期内完成，而复杂的如转移指令或乘法指令可能需要两个或更多的机器周期。这种差异化的处理使得CPU能灵活地处理各种指令，提高整体的计算效率。 总结来说，指令周期是衡量CPU执行效率的重要指标，理解指令周期的组成有助于深入理解计算机内部的工作机制，优化程序设计，从而提高系统的运行效率。