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  • 一条机器指令中包含的信息有
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    2016-10-06 14:49:13

    首先看一道题目:

    通常情况下,一个微程序的周期对应一个机器周期

    这是之前未认真辨析过的。
    我们知道一个指令周期可以分为若干个机器周期,那么对应的指令就对应若干个机器指令。

    比如一个指令包含取指,间址,执行,中断等机器指令!设计微程序的时候针对的是机器指令一对一设计。

    那么一个微程序的周期对应的就是一个机器周期了。

    另外,CPU周期也等于机器周期,即CPU一次以处理一条机器指令为基本单位。一条机器指令要么是取指,要么是间址,要么是执行,要么中断等,任务专一,CPU好处理,所以CPU周期这个概念也等同于微程序的周期,也等于机器周期。

    以上。

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  • 计算机如何执行一条机器指令

    千次阅读 2019-10-11 11:09:38
     在上篇我们谈到,计算机处理段程序,就会将程序翻译成机器指令,然后执行完成相应的任务。执行指令的过程分为取指令阶段、分析取数阶段和执行阶段。 1.取指阶段: 图概念解释: PC(程序计数器),MAR...

    指令运行过程:

     在上篇我们谈到,计算机处理一段程序,就会将程序翻译成机器指令,然后执行完成相应的任务。执行指令的过程分为取指令阶段、分析取数阶段和执行阶段。

    • 1.取指阶段:

      图中概念解释:

      PC(程序计数器),MAR(存储地址寄存器),CU(控制单元),IR(指令寄存器)

      AB(地址总线) ,DB(数据总线), CB(控制总线)。

      取指令阶段完成的任务是将现行指令从主存中取出来并送至指令寄存器中去,具体的操作如下:
      ① 将程序计数器(PC)中的内容先送至存储器地址寄存器(MAR),然后送至地址总线(AB).
      ② 由控制单元(CU)经控制总线(CB)向存储器发读命令.

      ③ 从主存中取出的指令通过数据总线(DB)送到存储器数据寄存器(MDR).
      ④ 将MDR的内容送至指令寄存器(IR)中.
      ⑤ 将PC的内容递增,为取下一条指令做好准备.

    在这里插入图片描述

    • 2.分析取数阶段:

      取出指令后,指令译码器(ID)可识别和区分出不同的指令类型.此时计算机进入分析取数阶段,以获取操作数.由于各条指令功能不同,寻址方式也不同,所以分析取数阶段的操作是各不相同的.

      对于无操作数指令,直接进入执行阶段。

      取数要计算操作数有效地址。对于不同的寻址方式,有效地址的计算方法是不同的,有时需要多次访问主存才能取出操作数(间接寻址)。如果通用寄存器中有,则不需要访问主存。

    • 3.执行阶段:

      完成指令规定的各种操作,形成稳定的运算结果,并存储起来。

    计算机的基本工作过程就是取指令、取数、执行指令,然后再取下一条指令… ,如此周而复始,直到指令或外来的干预为止。

    微程序控制基本概念:

     微程序设计技术的实质就是将程序设计和存储技术相结合。用程序设计的思想组织设计控制逻辑,将控制信号编成控制字(微指令),在把微指令组合成微程序,从而对计算机发号施令。 这项技术最早是剑桥大学教授提出,由IBM在1964年成功在IBM360系列机采用并发展起来。现在的计算机基本都是微程序控制的计算机。

    • 微命令:
       一条机器指令可以分解成一个微操作序列,这些微操作是计算机中最基本的、不可再分解的操作.在微程序控制的计算机中,将控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫做微命令,它是构成控制序列的最小单位.

    例如:打开或关闭某个控制门的电位信号、某个寄存器打入脉冲等。

    • 微操作:
       微命令和微操作是一一对应的。微命令是微操作的控制信号,微操作是微命令的操作过程。

    • 微指令:
       微指令是指控制存储器中的一个单元的内容,即控制字,是若干个微命令的集合.存放控制字的控制存储器的单元地址就称为微地址

    • 微程序:
       一系列微指令的有序集合就是微程序。每一条机器指令都对应一个微程序。

    几个周期区别

    一个振荡周期=一个时钟周期;
    一个机器周期=六个状态周期;
    一个状态周期=两个节拍;
    一个节拍=一个时钟周期;
    一个指令周期=N个机器周期;
    综上:1个指令周期=N个机器周期=6N个状态周期=12N个节拍=12N个时钟周期=12N个振荡周期
    时钟周期:一个脉冲所需要的时间,为时钟晶振频率的倒数
    指令周期:执行一条指令所需要的时间,是从取指令、分析指令到执行完指令所需的全部时间
    机器周期:计算机中,常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段,每一个阶段完成一项工作。每一项工作称为一个基本操作,完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期,所以一个指令周期一般由若干个机器周期组成。

    寻址方式:

    • 立即寻址方式

        操作数包含在指令中,它作为指令的一部分,跟在操作码后存放在代码段。这种操作数称为立即数。立即寻址方式所提供的操作数紧跟在操作码后面,与操作码一起放在指令代码段中,不需要到其他地址单元中去取。这种寻址方式主要用于给寄存器或存储单元赋初值的场合。立即寻址方式是这七种寻址方式中速度最快的寻址方式。

    • 寄存器寻址方式

      寄存器寻址的特点是操作数在CPU内部的寄存器中,在指令中指定寄存器号。由于操作数在寄存器中,不需要通过访问存储器来取得操作数,所以采用寄存器寻址方式的指令执行速度较快。

    • 直接寻址方式

      直接寻址的操作数在存储器中,指令直接包含有操作数的有效地址。

    • 寄存器间接寻址方式

      寄存器间接寻址的操作数在存储器中,操作数有效地址在寄存器中

    • 寄存器相对寻址方式

      该寻址方式是以指定的寄存器内容,加上指令中给出的位移量(8位或16位),并以一个段寄存器为基准,作为操作数的地址。指定的寄存器一般是一个基址寄存器或变址寄存器。

    • 基址变址寻址方式

      基址加变址寻址方式是指将寄存器(该寄存器一般指基址寄存器)的内容与指令中给出的地址偏移量相加,从而得到一个操作数的有效地址。

    • 相对基址变址寻址方式

      操作数在存储器中,操作数的有效地址由基址寄存器之一的内容与变址寄存器之一的内容及指令中给定的位移量相加得到。

    展开全文
  • 机器指令和微指令

    千次阅读 多人点赞 2020-03-28 13:45:36
    1、机器指令机器指令是CPU能直接识别并执行的指令。 2、微指令:是指在机器的个CPU周期组实现一定操作功能的微命令的组合,描述微操作的语句。 二、表现格式不同 1、机器指令:表现形式是二进制编码。 2、...

    一、概念不同

    1、机器指令:机器指令是CPU能直接识别并执行的指令

    2、微指令:是指在机器的一个CPU周期中,一组实现一定操作功能的微命令的组合,描述微操作的语句。

    二、表现格式不同

    1、机器指令:表现形式是二进制编码

    2、微指令:格式分为水平型微指令和垂直型微指令

    三、原理不同

    1、机器指令:机器指令通常由操作码和操作数两部分组成,操作码指出该指令所要完成的操作,即指令的功能,操作数指出参与运算的对象,以及运算结果所存放的位置等。

    2、微指令:一条机器指令的功能是若干条微指令组成的序列来实现的,即一条机器指令所完成的操作分成若干条微指令来完成,由微指令进行解释和执行,这个微指令序列通常叫做微程序。微指令的编译方法是决定微指令格式的主要因素。

    四、联系

    1、一条机器指令对应一个微程序,这个微程序是由若干条微指令构成的。因此,一条机器指令的功能是若干条微指令组成的序列来实现的。简而言之,一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完成,由微指令进行解释和执行。

    2、从指令与微指令,程序与微程序,地址与微地址的一一对应关系上看,前者与内存储器有关,而后者与控制存储器有关,与此相关也有相对应的硬设备。

    3、一条机器指令对应4个CPU周期,每个CPU周期就对于一条微指令。

    展开全文
  • 时钟周期 机器周期 指令周期的概念

    千次阅读 2021-05-22 01:46:16
    时钟周期:时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟脉冲的倒数(可以这样来理解,时钟周期就是单片机外接晶振的倒数,例如12M的晶振,它的时间周期就是1/12 us),是计算机最基本的、最小的时间单位。在个时钟周期内,...

    时钟周期:

    时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟脉冲的倒数(可以这样来理解,时钟周期就是单片机外接晶振的倒数,例如12M的晶振,它的时间周期就是1/12 us),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。对于某种单片机,若采用了1MHZ的时钟频率,则时钟周期为1us;若采用4MHZ的时钟频率,则时钟 周期为250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲,它控制着计算机的工作节奏(使计算机的每一步都统一到它的步调上来)。显然,对同一种机型的计算 机,时钟频率越高,计算机的工作速度就越快。

    8051单片机把一个时钟周期定义为一个节拍(用P表示),二个节拍定义为一个状态周期(用S表示)。

    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。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下,一个机器周期由若干个S周期(状态周期)组成。

    8051系列单片机的一个机器周期同6个 S周期(状态周期)组成。前面已说过一个时钟周期定义为一个节拍(用P表示),二个节拍定义为一个状态周期(用S表示),8051单片机的机器周期由6个 状态周期组成,也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。

    例如外接24M晶振的单片机,他的一个机器周期=12/24M 秒;

    指令周期:

    执行一条指令所需要的时间,一般由若干个机器周期组成。指令不同,所需的机器周期也不同。

    对于一些简单的的单字节指令,在取指令周期中,指令取出到指令寄存器后,立即译码执行,不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令,例如转移指令、乘法指令,则需要两个或者两个以上的机器周期。

    通常含一个机器周期的指令称为单周期指令,包含两个机器周期的指令称为双周期指令。

    总线周期:

    由于存贮器和I/O端口是挂接在总线上的,CPU对存贮器和I/O接口的访问,是通过总线实现的。通常把CPU通过总线对微处理器外部(存贮器或 I/O接口)进行一次访问所需时间称为一个总线周期。

    总结一下,时钟周期是最小单位,机器周期需要1个或多个时钟周期,指令周期需要1个或多个机器周期;机器周期指的是完成一个基本操作的时间,这个基本操作有时可能包含总线读写,因而包含总线周期,但是有时可能与总线读写无关,所以,并无明确的相互包含的关系。

    指令周期:是CPU的关键指标,指取出并执行一条指令的时间。一般以机器周期为单位,分单指令执行周期、双指令执行周期等。现在的处理器的大部分指令(ARM、DSP)均采用单指令执行周期。

    机器周期:完成一个基本操作的时间单元,如取指周期、取数周期。

    时钟周期:CPU的晶振的工作频率的倒数。

    例子:22.1184MHZ的晶振,它的晶振周期、时钟周期和机器周期分别是多少?

    以51为例,晶振22.1184M,时钟周期(晶振周期)就是(1/22.1184)μs,一个机器周期包含12个时钟周期,一个机器周期就是 0.5425μs。一个机器周期一般是一条指令花费的时间,也有些是2个机器周期的指令,DJNZ,是双周期指令.

    --------------------------------------------------------

    红皮书118页说cpu的操作频率可达60MHZ,这个频率是机器周期还是指令周期?ARM机器周期跟指令周期有什么对应关系?由于ARM采用的是三级流水线的技术,所有的指令执行都由相同的三个阶段取指,译码,执行,那么所有的指令的执行时间是不是都是相同的?

    我的理解是:如果ARM不接pll(即ARM直接采用晶振的周期),ARM的机器周期就是晶振的振荡周期,这两个是等同的,所有的指令的执行时间都是相同的,且都等于晶振周期;如果ARM连接并使能pll,则1/Fcclk就是机器周期,指令的执行频率等于Fcclk。请教高手指点更正,多谢!!

    zlgarm:

    没有机器周期的概念,只有主时钟的概念,它是OLL的输出。如果程序和数据均在片内RAM中,这样计算指令执行时间

    1、一般指令需1个主时钟时间

    2、每次跳转增加3个主时钟时间(也许是2个,需要确认)

    3、从RAM中取一个操作数多增加一个主时钟时间,以次类推

    4、保存一个结果到RAM中多增加一个主时钟时间,以次类推

    5、访问片内外设,增加一个外设时钟时间

    注意伪指令ldr rn,=x需要从ram中取一个操作数。

    slump:

    如果从FLASH中运行,启动MAM后,当指令不在MAM缓冲中,需用MAMTIM个周期进行MAM预取指。所以程序跳转的开销是相当大的。

    --------------------------------------------------------

    8051、ARM和DSP指令周期的测试与分析

    本文对三种最具代表性的微控制器(AT89S51单片机、7TDMI核的LPC2114型单片机和TMS320F2812)的指令周期进行了分析和。为了能观察到指令周期,将三种控制器的GPIO口设置为数字输出口,并采用循环不断地置位和清零,通过观察GPIO口的波形变化得到整个循环的周期。为了将整个循环的周期与具体的每一条指令的指令周期对应起来,通过C语言源程序得到汇编语言指令来计算每一条汇编语言的指令周期。

    1 AT89S51工作机制及指令周期的

    AT89S51单片机的时钟采用内部方式,时钟发生器对振荡脉冲进行2分频。由于时钟周期为振荡周期的两倍(时钟周期=振荡周期P1+振荡周期P2),而1个机器周期含有6个时钟,因此1个机器周期包括12个晶振的振荡周期。取石英晶振的振荡频率为11.059 2 MHz,则单片机的机器周期为12/11.059 2=1.085 1 μs。51系列单片机的指令周期一般含1~4个机器周期,多数指令为单周期指令,有2周期和4周期指令。

    为了观察指令周期,对单片机的P1口的最低位进行循环置位操作和清除操作。源程序如下:

    #include

    main() {

    while(1) {

    P1=0x01;

    P1=0x00;

    }

    }

    采用KEIL uVISION2进行编译、链接,生成可执行文件。当调用该集成环境中的Debug时,可以得到上述源程序混合模式的反汇编代码:

    2:main()

    3: {

    4:while(1)

    5:{

    6:P1=0x01;

    0x000F759001MOVP1(0x90),#0x01

    7:P1=0x00;

    0x0012 E4CLRA

    0x0013 F590MOVP1(0x90),A

    8:}

    0x001580EDSJMPmain (C:0003)

    其中斜体的代码为C源程序,正体的代码为斜体C源程序对应的汇编语言代码。每行汇编代码的第1列为该代码在器中的位置,第2列为机器码,后面是编译、链接后的汇编语言代码。所有指令共占用6个机器周期(其中“MOV P1(0x90),#0x01”占用2个机器周期,“CLR A”和“MOV P1(0x90),A”各占用1个机器周期,最后一个跳转指令占用2个机器周期),则总的循环周期为6×机器周期=6×1.085 1 μs=6.51 μs。

    图1 P1口最低位的波形

    将编译、链接生成的可执行文件到AT89S51的Flash中执行可以得到P1口最低位的波形,如图1所示。整个循环周期为6.1 μs,与上面的分析完全一致。

    2 LPC2114工作机制及指令周期的测试

    LPC2114是基于ARM7TDMI核的可加密的单片机,具有零等待128 KB的片内Flash,16 KB的SRAM。时钟频率可达60 MHz(晶振的频率为11.059 2 MHz,时钟频率设置为11.059 2×4 =44.236 8 MHz,片内外设频率为时钟频率的1/4,即晶振的频率)。7TDMI核通过使用三级流水线和大量使用内部寄存器来提高指令流的执行速度,能提供0.9 MIPS/MHz的指令执行速度,即指令周期为1/(0.9×44.236 8)=0.025 12 μs,约为25 ns。

    为了观察指令周期,将LPC2114中GPIO的P0.25脚设置为输出口,并对其进行循环的置位操作和清除操作。C源程序如下:

    #include"config.h"

    //P0.25引脚输出

    #defineLEDCON0x02000000

    intmain(void)

    {//设置所有引脚连接GPIO

    PINSEL0 = 0x00000000;

    PINSEL1 = 0x00000000;

    //设置LED4控制口为输出

    IO0DIR = LEDCON;

    while(1)

    {IO0SET = LEDCON;

    IO0CLR = LEDCON;

    }

    return(0);

    }

    采用ADS1.2进行编译、链接,生成可执行文件。当调用AXD Debugger时,可以得到上述源程序的反汇编代码:

    main[0xe59f1020]ldrr1,0x40000248

    40000224[0xe3a00000]movr0,#0

    40000228[0xe5810000]strr0,[r1,#0]

    4000022c[0xe5810004]strr0,[r1,#4]

    40000230[0xe3a00780]movr0,#0x2000000

    40000234[0xe1c115c0]bicr1,r1,r0,asr #11

    40000238[0xe5810008]strr0,[r1,#8]

    4000023c[0xe5810004]strr0,[r1,#4]

    40000240[0xe581000c]strr0,[r1,#0xc]

    40000244[0xeafffffc]b0x4000023c

    40000248[0xe002c000]dcd0xe002c000

    每行汇编代码的第1列为该代码在器中的位置,第2列为机器码,后面是编译、链接后的汇编语言代码。循环部分的语句最关键的就是下面3句:

    4000023c[0xe5810004]strr0,[r1,#4]

    40000240[0xe581000c]strr0,[r1,#0xc]

    40000244[0xeafffffc]b0x4000023c

    在AXD Debugger中,将其调用到RAM中运行程序得到循环部分GPIO的P0.25的输出波形,如图2所示。 从图中可以看出,循环周期中保持为高电平的时间为1350 ns左右,低电平的时间为450 ns左右,即指令“str r0,[r1,#4]”和指令“str r0,[r1,#0xc]”均需350 ns左右,而跳转指令则需100 ns左右。这主要是由于以下原因造成的: ① ARM的大部分指令是单周期的,但是也有一些指令(如乘法指令)是多周期的;② 基于核的微控制器只有加载、存储和指令可以对存储器的数据进行访问,这样从存储器读数据或向存储器写数据要增加1个时钟周期;③ 访问片内外设要增加一个外设时钟周期。当然,每个指令还要有1个时钟周期,跳转时要清空流水线还要另加一定的时钟周期。

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    千次阅读 2019-11-28 10:57:20
    在执行程序时,为了提高性能,编译器和处理器常常会对指令做重排序。重排序分3种类型: 编译器优化的重排序。...如果不存在数据依赖性,处理器可以改变语句对应机器指令的执行顺序。 内存系统的重排序。...
  • CPU指令周期、CPU周期和时钟周期

    千次阅读 多人点赞 2021-01-14 22:44:00
    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,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...

空空如也

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一条机器指令中包含的信息有