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  • 一条指令的执行通常可分为
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    2019-05-12 13:54:45

    计算k段流水线执行n条指令的执行时间,有必要区分两种情况:

    • 如果流水线中的各段执行时间均为t,那么执行n条指令的时间就是执行第一条指令的时间kt,加上其余n-1条指令各执行一段的时间(n-1)t。

    • 如果流水线中的各段执行时间不等,且最长段的执行时间为 t m a x t_{max} tmax,那么执行n条指令的时间就是执行第一条指令的时间T,加上其余n-1条指令各执行最长段的时间(n-1) t m a x t_{max} tmax

    题目:
      通常可以将计算机系统中执行一条指令的过程分为取指令,分析和执行指令3步。若取指令时间为4△t,分析时间为2△t。执行时间为3△t,按顺序方式从头到尾执行完600条指令所需时间为( )△t;
      若按照执行第i条,分析第i+1条,读取第i+2条重叠的流水线方式执行指令,则从头到尾执行完600条指令所需时间为( )△t。

    解答:

    1. 按顺序方式执行时间为(4+2+3)△t × 600=5400△t

    2. 流水线方式:单条指令所需时间+(n-1)×(流水线周期),其中,流水线周期是指:指令分段执行中时间最长的一段。该题中时间最长的一段为4△t,所以流水线的周期为:4△t;
      所以该题按照流水线方式执行的时间为:(4+2+3)△t+(600-1)4△t=2405△t

    更多相关内容
  • 一条指令执行的步骤

    万次阅读 2020-02-23 18:45:57
    指令分为两个部分:“操作码”“地址码”,现在假设你写好一个程序,在程序开始执行前,必须将它的起始地址,即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC,因此程序计数器(PC)的内容即是从内存提取的第一条指令的...

    这里是关于C++程序设计的实验课程第三个实验:一条指令执行的步骤分析图解

    为了强化大家的理论知识巩固,在讲解词语时候也会有问题提出来巩固。

    在这里插入图片描述

    指令分为两个部分:“操作码”“地址码”,现在假设你写好一个程序,在程序开始执行前,必须将它的起始地址,即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC,因此程序计数器(PC)的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。
    程序计数器(PC):为了保证程序(在操作系统中理解为进程)能够连续地执行下去,CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器正是起到这种作用,所以通常又称为指令计数器。
    在程序开始执行前,必须将它的起始地址,即程序的一条指令所在的内存单元地址送入PC,因此程序计数器(PC)的内容即是从内存提取的第一条指令的地址。在这里插入图片描述

    总结:先是PC存储第一条指令,即从内存提取的第一条指令。

    • 在程序中存放指令地址的寄存器叫( )

    A通用寄存器
    B 程序计数器
    C变址寄存器
    D指令寄存器
    答案为:D
    解析:程序计数器存放的是下一条指令所在单元的地址,指令寄存器存放正在执行的指令。(除了执行第一次指令以外,都是存放下一条指令所在单元的地址)

    程序一开始会根据PC存储的指令的内存地址(简称:指令地址),根据地址取出后放在指令寄存器中,图中指令寄存器是0001 110100 110110=加法指令的代码,因为实验在浏览器表现不太好,把两部分数字倒过来了,实际上应该是在这里插入图片描述在这里插入图片描述这样子的
    然后上下图比较后我们可以看到PC多加了一个1,这是为什么?
    答案是因为当执行指令时,CPU将自动修改PC的内容,即每执行一条指令PC增加一个量,这个量等于指令所含的字节数,以便使其保持的总是将要执行的下一条指令的地址。由于大多数指令都是按顺序来执行的,所以修改的过程通常只是简单的对PC加1。 当程序转移时,转移指令执行的最终结果就是要改变PC的值,此PC值就是转去的地址,以此实现转移。有些机器中也称PC为指令指针IP(Instruction Pointer)
    但在这里我要强调一句,这里PC加1不是单纯加1,它是根据先前的指针地址继续加上指令的字节数,因为这里的地址是按字节排序,即0x000A+1=0x000B…从而继续执行下一条指令。如果说一个指令占据两个字节,你可以这样想:执行完一条指令后,下一条指令的地址是多少???是刚刚被执行完的指令地址加上2,也正是因为这个可以继续执行指令。

    AR=0X000A=10=1010 因为0X是十六进制的标记,后面数字全当做十六进制处理,然后转化成二进制

    在这里插入图片描述这里是要把操作码放在CU以此来判断要干啥?(加减乘除之类的)判断后它就能知道后面的执行操作决定用什么工具。

    • 控制器(CU)的功能是______。

    A) 指挥计算机各部件自动、协调一致地工作
    B) 对数据进行算术运算或逻辑运算
    C) 控制对指令的读取和译码
    D) 控制数据的输入和输出
    答案:A
    解析:控制器的主要功能是指挥全机各个部件自动、协调的工作。
    在这里插入图片描述这一段是因为IR里面的值0001 110100 110110的其中110100是0X0034的值,也是我们输入的值的地址(这里我要说的是0X0034这个地址对应的是我输入的值的内存单元),同理,110110也是0X0036的值,对应着我输入的第二个值,然后存在数据缓冲寄存器(DR)中
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    经过累加器ALU的加法计算,得出结果并存储在第一个值存储的位置——数据缓冲寄存器(DR)

    • 在CPU中 数据寄存器DR是指?

    A.可存放指令的寄存器
    B.可存放程序状态字的寄存器
    C.本身具有技术逻辑于移位逻辑的寄存器
    D.可编程指定多种功能的寄存器
    答案:C
    解析:A是指令寄存器IR B是程序状态寄存器PSW D是通用寄存器
    在这里插入图片描述以上,就是我对一条指令执行的步骤总过程实验的书面描写心得。

    如果这段描述有帮到你,请记得点赞并关注哟!
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  • 计算机执行指令的过程详解

    万次阅读 多人点赞 2020-02-20 11:32:22
    cpu执行指令的过程详解 、计算机的基本组成 冯·诺依曼计算机的特点(机器以运算器为中心) 计算机由控制器(分析和执行机器指令并控制各部件的协同工作)、运算器(根据控制信号对数据进行算术运算和逻辑运算)...

    计算机执行指令的过程详解

    一、计算机的基本组成

    在这里插入图片描述
    冯·诺依曼计算机的特点(机器以运算器为中心)

    1. 计算机由控制器(分析和执行机器指令并控制各部件的协同工作)、运算器(根据控制信号对数据进行算术运算和逻辑运算)、存储器(内存存储中间结果,外存存储需要长期保存的信息)、输入设备(接收外界信息)和输出设备(向外界输送信息)五大部件组成
    2. 指令(程序)和数据以二进制不加区别地存储在存储器中
    3. 程序自动运行

    现代计算机由三大部分组成(已经转化为以存储器为中心)

    1. CPU(Central Processing Unit) 中央处理器,核心部件为ALU(Arithmetic Logic Unit,算术逻辑单元)和CU(Control Unit,控制单元)
    2. I/O设备(受CU控制)
    3. 主存储器(Main Memory,MM),分为RAM(随机存储器)和ROM(只读存储器)
      //CPU与MM合成主机,I/O设备可称为外部设备
      在这里插入图片描述

    二、一条指令在CPU的执行过程

    相关术语名词:

    1. Ad(Address) 形式地址
    2. AC(Accumulation register)累加寄存器
    3. ALU(Arithmetic logic unit)算术逻辑单元
    4. MQ(Multiplier-Quotient Register)乘商寄存器
    5. DR(Data Register) 数据寄存器
    6. AR(Address Register) 地址寄存器(MAR)
    7. IR(Instruction Register) 指令寄存器
    8. BR(Buffer Register) 缓冲寄存器(MBR)
    9. ID(Instruction Decoder) 指令译码器
    10. PC(ProgramCounter) 程序计数器
    

    存储器

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    运算器

    在这里插入图片描述

    控制器

    在这里插入图片描述

    cpu执行指令的过程详解

    计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即

    取指令-----分析指令-----执行指令
    

    取指令的任务是:根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令,送到指令寄存器。

    分析指令阶段的任务是:将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码,分析其指令性质。如指令要求操作数,则寻找操作数地址。

    执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程,直至遇到停机指令可循环等待指令。

    一般计算机进行工作时,首先要通过外部设备把程序和数据通过输入接口电路和数据总线送入到存储器,然后逐条取出执行。但单片机中的程序一般事先我们都已通过写入器固化在片内或片外程序存储器中。因而一开机即可执行指令。

    举例说明

    开机时,程序计算器PC变为0000H。然后单片机在时序电路作用下自动进入执行程序过程。执行过程实际上就是取出指令(取出存储器中事先存放的指令阶段)和执行指令(分析和执行指令)的循环过程。

    例如执行指令:MOV A,#0E0H,其机器码为“74H E0H”,该指令的功能是把操作数E0H送入累加器,

    0000H单元中已存放74H0001H单元中已存放E0H。当单片机开始运行时,首先是进入取指阶段,其次序是:

    1. 程序计数器的内容(这时是0000H)送到地址寄存器;

    2. 程序计数器的内容自动加1(变为0001H);

    3. 地址寄存器的内容(0000H)通过内部地址总线送到存储器,以存储器中地址译码电跟,使地址为0000H的单元被选中;

    4. CPU使读控制线有效;

    5. 在读命令控制下被选中存储器单元的内容(此时应为74H)送到内部数据总线上,因为是取指阶段,所以该内容通过数据总线被送到指令寄存器。至此,取指阶段完成,进入译码分析和执行指令阶段。

    由于本次进入指令寄存器中的内容是74H(操作码),以译码器译码后单片机就会知道该指令是要将一个数送到A累加器,而该数是在这个代码的下一个存储单元。所以,执行该指令还必须把数据(E0H)从存储器中取出送到CPU,即还要在存储器中取第二个字节。其过程与取指阶段很相似,只是此时PC已为0001H。指令译码器结合时序部件,产生74H操作码的微操作系列,使数字E0H从0001H单元取出。因为指令是要求把取得的数送到A累加器,所以取出的数字经内部数据总线进入A累加器,而不是进入指令寄存器。至此,一条指令的执行完毕。单片机中PC=“0002H”,PC在CPU每次向存储器取指或取数时自动加1,单片机又进入下一取指阶段。这一过程一直重复下去,直至收到暂停指令或循环等待指令暂停。CPU就是这样一条一条地执行指令,完成所有规定。

    cpu执行指令步骤详解

    1、第一步我们首先看一下cpu的内部结构,主要包括寄存器,控制器,ALU算数逻辑运算单元,控制器里面又含有操作控制器,计数器,寄存器等,如下图所示:

    在这里插入图片描述

    2、第二步我们了解了cpu的内部结构之后,就比较容易理解cpu是如何执行指令的,cpu执行指令主要分为5个阶段,从取指令,导进行指令译码,执行指令,访问主存,最后回写结果,具体cpu执行过程如下图所示:

    cpu执行指令的过程详解

    3、第三步我们首先来看cpu执行指令的一、二阶段,cpu是怎么取指令和进行指令译码,将指令先从主存里面取出,然后放到寄存器,最后进行指令译码,这样就完成cpu执行指令的一、二阶段,具体如下图所示:

    cpu执行指令的过程详解

    4、第四步cpu执行指令的三、四阶段,首先根据指令规定的操作,完成具体功能,最后访问主存,操作数,得到物理地址,就完成了执行指令和访问主存的三、四阶段,如下图所示:

    cpu执行指令的过程详解

    5、第五步在cpu第四阶段访问主存的时候,需要得到物理地址,具体读写过程如下图所示:

    cpu执行指令的过程详解

    6、第六步我们也可以看一下cpu是怎么读指令的,下面是cpu的工作原理,如下图所示:

    在这里插入图片描述

    7、第七步cpu执行指令进去到了第五个阶段,也是最后一个阶段回写结果,把第三阶段执行指令的运行结果数据回写到一种存储形式,cpu这样就成功执行完了一条指令,如下图所示
      在这里插入图片描述

    参考:

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  • 处理器一条指令需要几个时钟周期

    万次阅读 2019-04-12 18:08:56
    个时钟周期内,CPU仅完成个最基本的动作。时钟周期是个时间的量。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

    周期之间的关系

    指令周期(Instruction Cycle):取出并执行一条指令的时间。

    CPU周期:一条指令执行过程被划分为若干阶段,每一阶段完成所需时间。

    时钟周期(Clock Cycle):又称震荡周期,是处理操作的最基本单位。 

    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。

    ARM处理器使用流水线来增加处理器指令流的速度,这样可使几个操作同时进行,并使处理与存储器系统之间的操作更加流畅,连续,能提供0.9MIPS/MHZ的指令执行速度。 PC代表程序计数器,流水线使用三个阶段,因此指令分为三个阶段执行:

    1.取指(从存储器装载一条指令);

    2.译码(识别将要被执行的指令);

    3.执行(处理指令并将结果写回寄存器)。

    而R15(PC)总是指向“正在取指”的指令,而不是指向“正在执行”的指令或正在“译码”的指令。一般来说,人们习惯性约定将“正在执行的指令作为参考点”,称之为当前第一条指令,因此PC总是指向第三条指令。当ARM状态时,每条指令为4字节长,所以PC始终指向该指令地址加8字节的地址,即:PC值=当前程序执行位置+8;

               周期1              周期2            周期3           周期4            周期5            周期6

    PC-8    取指                译码              执行

    PC-4                          取指              译码             执行

    PC                                                 取指             译码              执行

      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。

    展开全文
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