【基础知识】CPU指令周期

完整执行一条指令所需要的时间

基本概念

指令周期，读取－执行周期（fetch-and-execute cycle）是指CPU要执行指令经过的步骤。

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里取出一条指令并执行这条指令；紧接着又是取指令，执行指令，如此周而复始，构成了一个封闭的循环。除非遇到停机指令，否则这个循环将一直继续下去。

cpu执行完每条指令后，都会检测是否有中断信息。

指令周期 :CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。

CPU周期 :又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。

时钟周期: 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。^[1]

在取指令的阶段，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，那么可以直接在控制器里面完成，不需要用到运算器。

冯诺伊曼的指令周期模型

IF(Instruction fetch) 取指：从 Instruction-Memory 中读取指令，并在下一个时钟上升沿到来时把指令送
到 ID 级的指令缓冲器 id_ir 中。该级控制信号决定下一个指令指针的 pc 信号(即 Instruction-Memory 的指令地址 i_addr)
ID(Instruction
decode)指令译码：对 IF 级的指令进行译码，根据指令操作码获取操作数read reg_1、read reg_2 或者要
直接储存的数据内容 smdr，并在下一个时钟上升沿到来前把指令 id_ir(前 8 位，操作码+operand1)送到 EX 级的指令缓冲器
ex_ir 中
EX(Execute)执行：该级进行算术运算(加、减)、简单传输(JUMP 操作)、逻辑运算(与、或、异或)
或移位操作(逻辑左移、逻辑右移、算术左移、算术右移)。算术逻辑单元 ALU 根据指令对两个操作数 reg_A、 reg_B
进行操作，将获得的结果 ALUo 送到下一级的 reg_C，在此过程中，控制标志信号 cf、nf、zf 并将其传到相应的缓冲寄存器
;或者产生存储数据的使能信号 d_we，同时将要直接储存的数据内容 smdr 传到 MEM 级的 smdr1。在下一个时钟上升沿到来前把指令
ex_ir 送到 MEM 级的指令缓冲器 mem_ir
中。总的来说就是拿到译码后的数据在ALU中进行计算，并将计算的结果放在MEM中的缓冲区中。
MEM(Memory
Access)：数据存储器访问: 根据指令处理 reg_C 获取需要的内容存储到缓冲器 reg_C1，并在下一个时钟上升沿到来前把指令
mem_ir 送到 WB 级的指令缓冲器 wb_ir 中。只有在执行 LOAD、STORE 指令
时才对存储器进行读、写操作，对于此之外的其他指令，MEM 级只起到一个周期的作用。
WB(Write Back) 写回：对于需要刷新通用寄存器的操作，WB级把指令执行的结果回写到通用寄存器中

cpu执行完每条指令后，都会检测是否有中断信息。