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  • 周期24条指令.zip

    2020-07-02 17:21:19
    周期CPU设计实验我们首先设计一个硬布线控制器,利用硬布线控制器的设计原理,来实现一个支持24条指令的MIPS单周期CPU。利用在运算器实验和存储系统实验中构建的运算器、寄存器文件、存储系统等部件以及Logisim...
  • 指令执行周期

    千次阅读 2020-12-22 15:07:19
    基本上指令一个周期。 访问内存的操作往往要 3以上指令周期,带MMU和cache的就更加不确定了。 arm 每指令不仅执行时间固定,其指令长度也是固定的 周期:就是时间,完成次任务的时间 指令周期 :...

    IPC ( Instruction Per Clock)                      即CPU 每一时钟周期内所执行的指令多少
    HPC ( High Performance Computing)    高性能计算机群

    基本上一条指令一个周期。

    访问内存的操作往往要 3个以上指令周期,带MMU和cache的就更加不确定了。

    arm 每一条指令不仅执行时间固定,其指令长度也是固定的

            周期:就是时间,完成一次任务的时间

            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。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。

            总线周期(BUS Cycle):也就是一个访存储器或I/O端口操作所用的时间。

     

     

     

     

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  • 用Verilog语言设计的多周期CPU,资源里包含了源代码及多周期CPU结构图,与大家分享下。 用Verilog语言设计的多周期CPU,资源里包含了源代码及多周期CPU结构图,与大家分享下。
  • 计算机组成五章之指令周期

    千次阅读 2020-05-20 16:54:59
    .基本概念 指令周期的基本概念我用自顶向下来解释。 首先呢,一个指令周期是包括取...另方面,指令周期呢又是由若干机器周期来表示,机器周期呢是由若干时钟周期来表示。在这里,时钟周期就是最小的单位了。时

    一.基本概念

    指令周期的基本概念我用自顶向下来解释。
    首先呢,一个指令周期是包括取址周期和执行周期的。取址周期呢是我取出某个指令并且分析该指令;执行周期呢是我执行该指令并且把结果存放到寄存器中去。取址就是说我们把指令从内存单元中把它取出来,取到cpu当中,分析呢,就是把操作码部分给cpu,告诉我们这是一条什么样的指令。执行呢就是比如我们要去取操作数,我们执行完后是不是就要把结果给存回去。

    另一方面,指令周期呢又是由若干个机器周期来表示,机器周期呢是由若干个时钟周期来表示。在这里,时钟周期就是最小的单位了。时钟周期又称为节拍,或者T周期,或者cpu时钟周期(注意和cpu周期区别)。机器周期呢又称为cpu周期。

    二.基本的指令周期

    MOV指令的指令周期
    RR指令
    在这里插入图片描述
    取指令周期:
    1.程序计数器pc中装入第一条指令地址 101
    2.pc中的内容被放在指令地址总线ABUS上并指存进行译码
    3.在指存中读出101对应的地址指令为MOV指令,并将指令放入指令总线IBUS上面,通过IBUS装入指令寄存器IR中
    4.程序计数器内容+1,变为102
    5.指令存储器中的操作码OP被译码
    6.cpu识别出了MOV指令。至此,取址周期结束。

    执行周期:
    1.操作控制器OC送出控制信号到通用寄存器中,选择了R1作为源寄存器,R0作为目标寄存器。
    2.OC送出控制信号到ALU,制定ALU做传送操作
    3.OC送出控制信号,打开ALU三态门,将数据输出到数据总线DBUS上(任何时候DBUS只能有一个数据)
    4.OC送出控制信号,将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器DR中
    5.OC送出控制信号,将DR中的数据打入到目标寄存器中,R0数据由00变为10.至此,执行周期结束。

    总结:

    1. 三条总线(指令地址总线ABUS 指令总线IBUS 数据总线DBUS)
    2. 执行周期中每一个操作都由OC操作控制器输出控制信号来执行

    LAD指令的指令周期
    在这里插入图片描述
    取址周期:
    1.在程序计数器PC中装入第二条指令地址102
    2.指令地址102进入到指令地址总线ABUS上,对指存进行译码
    3.将102号地址对应的指令放进指令总线IBUS上,通过IBUS寄存到指令寄存器IR中
    4.程序计数器+1,为取下一条指令做准备
    5.对操作码OC字段进行译码
    6.cpu识别LAD指令,至此,取址周期结束

    执行周期:
    1.OC发出控制命令给IR输出三态门,将指令中的直接地址码6传入到数据总线DBUS上
    2.OC发出操作命令,将地址码6装入到数存地址寄存器AR
    3.OC发出读命令,将数存6号单元中的数100读出到DBUS上
    4.OC发出命令,将DBUS上的数放入数据缓冲寄存器中DR
    5.OC发出命令,将DR中的数100装入通用寄存器R1,原来R1中的数被覆盖了。至此,执行周期结束

    总结:

    1. RS型指令有三个cpu周期,一次访问指存,一次访问数存,还有一次执行
    2. 取址周期都一样,具体差别在执行周期上

    ADD指令的指令周期

    在这里插入图片描述
    取址周期同上。
    执行周期:
    1.OC送出控制信号到通用寄存器,选择R1作为源寄存器,R2作为目标寄存器
    2.OC送出控制信号到ALU,指定ALU做R1和R2的加法
    3.OC送出控制信号,打开ALU输出三态门,将数据120放到DBUS中
    4.OC送粗控制信号,将DBUS上的数据打入到缓冲寄存器DR中 ,ALU产生的进位信号保存在状态寄存器PSWR中
    5.OC送出控制信号,将DR中的数放入到R2,R2原来的数被120覆盖。至此,执行周期结束。

    STO指令的指令周期
    在这里插入图片描述
    执行周期:
    1.操作控制器OC送出操作命令到通用寄存器,选择R3做数据存储器的地址单元
    2.OC发出操作命令,打开了通用寄存器三态门(不经过ALU,节省时间),将地址30放入到DBUS总线上。
    3.OC发出操作命令,将地址30打入数存寄存器AR中,并进行数存译码 4.OC发出操作命令到通用寄存器,选择120,作为数存的写入数据
    5.OC发出操作命令,打开通用寄存器输出三态门,将120放在DBUS上
    6.OC发出操作命令,将数据120写入到数存30号单元。

    JMP指令的指令周期
    执行周期:
    1.OC发出操作控制命令,打开指令寄存器IR的输出三态门,将IR中的地址码101发送到DBUS上
    2.OC发出操作控制命令,将DBUS上的地址码101打入到程序计数器PC中,PC中原先内容106被替换。于是,下一条指令不是从106号单元取出,而是转移到101号单元取出。至此,JMP执行周期结束。

    总结:

    MOV指令 和 ADD指令 都是RR指令;类型相同,执行周期过程也相同
    操作通式:

    • 到通用寄存器中找到目标寄存器和源寄存器地址
    • 告诉ALU他要做什么运算(加法还是传送)
    • 将处理好的数据通过ALU三态门输出到DBUS总线上
    • 将数据打入到DR(数据缓冲寄存器)
    • 将数据覆盖掉目标寄存器中原有的数据
    • 完。

    LAD指令和STO指令都是RS指令,之所以相较于RR多了一个周期,是因为要访问数存(cache)

    LAD指令操作通式:

    • 打开IR(指令寄存器)输出三态门,将直接地址打入到DBUS总线
    • 将数据打入到AR(数据地址寄存器)中去
    • 找到数存直接地址(6)对应的那个寄存器,将里面的数(100)放入到DBUS总线上
    • 打入到DR(数据缓冲寄存器)
    • 覆盖掉通用寄存器R1原有的数据
    • 完。

    STO指令操作通式:

    • 打开IR输出三态门,将R3传送到DBUS上面
    • 将R3打入到通用寄存器中,取出里面的数据
    • 打开通用寄存器三态门,将数据打入到DBUS总线上
    • 传入到AR,找到30对应的那个寄存器
    • 打开IR输出三态门,将R2传送到DBUS上面
    • 将R2打入到通用寄存器中,取出里面的数据
    • 打开通用寄存器三态门,将数据打入到DBUS上
    • 传入AR,将数据写入30对应寄存器中,原有的数据(40)被覆盖了
    • 完。
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  • 时钟周期不是已经开始个指令了吗?![图片](https://img-ask.csdn.net/upload/201601/31/1454255054_907757.jpg)
  • 指令周期

    千次阅读 2019-11-07 22:57:05
    指令周期:取出并执行指令所需要的时间(解释指令所需要的时间) 每条指令指令周期不同 有些指令周期就没有执行周期——例如空操作(NOP) 有些指令的取指周期和执行周期是等长的——add mem 有些指令的...

    基本概念:

    指令周期:取出并执行一条指令所需要的时间(解释一条指令所需要的时间)
    在这里插入图片描述
    每条指令的指令周期不同
    有些指令周期就没有执行周期——例如空操作(NOP)
    有些指令的取指周期和执行周期是等长的——add mem
    有些指令的执行周期就比较长——mul mem

    具有间址寻址的指令周期
    因为寻址方式的不同,所有可能是间址寻址,所以在执行周期中要取出操作数,需要进行两次访存,那么这个时候,如果我们将指令周期划分为:取址周期,间址周期,执行周期
    在这里插入图片描述
    那么,这个时候,间址周期执行的是将操作数的地址从主存中取出,执行周期执行的是取出操作数并执行相应的操作并把结果保存在给定的寄存器当中。

    带中断的指令周期
    如果程序执行的过程中有中断,那么就要添加一个中断周期:如果有中断请求的话,我们需要去响应中断:保存断电,形成中断服务程序的入口地址,硬件关中断
    在这里插入图片描述

    指令周期流程

    在指令周期中,至少包含了1个周期:取址周期
    在取址周期后,需要判断是否有间址周期,如果没有就进入到了执行周期,在执行周期过程中,需要判断有没有中断程序,如果有,就响应中断:保存断点,生成中断服务程序入口,硬件关断点;如果没有,就进入下一个取址周期
    在这里插入图片描述

    CPU工作周期的标志

    由于处在不同的指令周期,控制器需要做不同的操作,所以控制器在指令周期的不同时段,需要发出不同的控制命令。控制器也要知道当前处于指令周期的哪一个阶段。
    在这里插入图片描述

    指令周期的数据流

    1.取址周期数据流
    在这里插入图片描述
    目标:需要将PC中的地址取出,并存在IR(指令寄存器中)
    步骤:先将PC中的指令地址送到MAR(主存地址寄存器)中,再通过地址总线送到存取器中,然后CU通过控制总线将存储器中的数据读出来并通过数据总线将数据送到MDR中,然后再送到IR中。但是,这样还没有完,CU还会将PC+1,使得PC指向下一条指令所在的地址

    2.间址周期数据流
    间址周期说明IR中或者是MDR中保存的是操作数的地址。
    假设我们的操作数的地址保存在了MDR中:
    在这里插入图片描述
    首先,MAR先从MDR中将数据地址的地址读出,然后通过地址总线传到存储器中,CU发出控制信号,并通过控制总线将地址读出通过数据总线放回到MDR中

    3.执行周期数据流
    不同指令执行周期数据流不同

    4.中断周期数据流
    我们要知道中断周期我们做了什么操作:
    保存断点
    生成中断服务程序入口地址
    硬件关闭断点
    CU决定了把中断保存在内存单元的哪一个地址(保存断点是一个写操作)
    首先,我们需要保存断点,但是有谁知道断点需要保存在哪里呢——CU,所以第一步是将CU中的地址传到MAR再通过地址总线传到存储器中,那么,我们是要保存当前断点的地址,当前断点的地址在哪里有呢——PC,所以第2步我们需要将PC的地址传到MDR通过数据总线传到存储器中。而中断程序的入口地址是由CU给出,CU直接将入口地址放入PC中
    在这里插入图片描述

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  • 处理器指令需要几时钟周期

    千次阅读 2019-04-12 18:08:56
    一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。时钟周期一个时间的量。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。  时钟周期是同步电路中时钟基础频率的倒数。它以时间...

     时钟周期简介

      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。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。

      时钟周期是同步电路中时钟基础频率的倒数。它以时间动作重复的最小周期来度量,度量单位采用时间单位。在单个时钟周期内(现代非嵌入式微处理器的这个时间一般都短于1纳秒),逻辑零状态与逻辑一状态来回切换。由于发热和电气规格的限制,周期里逻辑零状态的持续时间历来要长于逻辑一状态。

      处理器一条指令需要几个时钟周期

      CPU时钟周期概述

      在微程序控制器中,时序信号比较简单,一般采用节拍电位——节拍脉冲二级体制。就是说它只要一个节拍电位,在节拍电位又包含若干个节拍脉冲(时钟周期)。节拍电位表示一个CPU周期的时间,而节拍脉冲把一个CPU周期划分为几个叫较小的时间间隔。根据需要这些时间间隔可以相等,也可以不等。

      指令周期是取出并执行一条指令的时间。

      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。这就是说,一条指令取出阶段(通常为取指)需要一个CPU周期时间。而一个CPU周期时间又包含若干个时钟周期(通常为节拍脉冲或T周期,它是处理操作的最基本的单位)。这些时钟周期的总和则规定了一个CPU周期的时间宽度。

      处理器一条指令需要几个时钟周期

      处理器一条指令需要几个时钟周期

      对于软件工程师来说,印象流我们可能会觉得执行一条指令一个时钟周期嘛,一条指令算是一个最小的原子操作,不可能再细分了吧。

      如果看看诸如《see mips run》,《arm体系架构》等书籍就会了解到,这个问题可没这么简单了,因为处理器设计中使用了流水线技术。

      一条指令还是相当复杂的,处理器在一个时钟周期内肯定是完不成的,可能需要好多个时钟周期来完成执行。如果这样让处理器执行完一条指令,再去执行另一条,处理器的效率是很低的,假如一条指令是5个时钟周期完成,对于500MHZ的处理器串行运行指令,1秒内取指100000000次。

      因此处理器引入了流水线技术,将一条指令划分为多个功能,由不同的功能部件来执行,并且这些功能部件可以并行工作。下面是一个arm7的三级流水线运行图。

      处理器一条指令需要几个时钟周期

      流水线划分为取指 译码 执行,但并不是仅需3个时钟周期即执行完指令。因为执行单元模块的操作较多,可能需要多个周期,取指 译码一般是一个时钟周期,这样可以看出虽然一条指令完成需要多个时钟周期,但是总体来说看在每个时钟周期都有一条指令开始取指。如果我们的处理器是500MHZ,则1秒内取指了500000000次。

      不同的处理器设计时流水线级数不一样,现在主流的有三级 五级 七级,增加流水线级数,简化流水线的各级逻辑,可以提高处理器的性能。

      回答咱们开头的问题也就明白了,一条指令需要的时钟周期还真不固定,这得看处理器的流水线级数,也得看该指令的复杂度,在执行阶段需要几个时钟周期。

      对于流水线各级具体工作这里就不细说了,网上文章很多,毕竟咱们是做软件的,硬件点到为止,流水线各级工作是有处理器内部逻辑单元来完成的,对于软件来说都是不可见的,软件可操作的最小原子操作就是指令。

      不过呢,处理器的流水线技术在有一个事情对咱们软件造成了影响,那就是PC值。

      据我了解的处理器流水线设计,前三级基本都是取指 译码 执行。处理器的PC寄存器中存储的是处理器的取指地址,根据上述流水线机制,而我们的处理器执行的指令地址是落后于要去预取的指令的地址,落后2个时钟周期。

      也就是说我们在取了第一条指令后,等该指令到了执行阶段时,我们的处理器其实已经预取了往后的第二条指令了。

      对于32位处理器,一条指令占据4字节。这也就是PC值 = 当前指令地址 + 8的根本原因啦。

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