时钟周期、机器周期和指令周期
本文最后更新于661天前,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

时钟周期:

一个时钟脉冲所需要的时间。在计算机组成原理中又叫T周期或节拍脉冲。是CPU和其他单片机的基本时间单位。它可以表示为时钟晶振频率(1秒钟的时钟脉冲数)的倒数(也就是1s/时钟脉冲数,比如1/12MHz),对CPU来说,在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲,控制着计算机的工作节奏。时钟频率越高,时钟周期就越短,工作速度也就越快。时钟周期在CPU的描述里也叫节拍,即将一个机器周期划分成若干个相等的时间段,每一段仅完成一个基本操作,用一个电平信号宽度对应。举例:(个人理解)工作频率为100MHZ的芯片的时钟周期为10000ns,理解为1s(10的9次方ns)内的时钟周期个数为10的8次方,所以每个时钟周期的时间长为10的9次方ns/10的8次方个时钟周期,结果为10ns。

Hz

1兆赫 (MHz 106Hz) =1 000 000 Hz。
频率的基本单位是赫兹(Hz),简称赫,1Hz = 1/s,即在单位时间内完成振动的次数。
1千赫(kHz 103Hz) =1 000 Hz
1兆赫 (MHz 106Hz) =1 000 000 Hz
1吉赫 (GHz 109Hz) =1 000 000 000 Hz
1太赫 (THz 1012Hz) =1 000 000 000 000 Hz
1拍赫 (PHz 1015Hz) =1 000 000 000 000 000 Hz
1艾赫 (EHz 1018Hz) =1 000 000 000 000 000 000 H

总线周期:

cpu从内存中读取指令,向内存中存取数据,对外设端口读写数据,执行总线周期,总线周期通常包含4个T状态:T1,T2,T3,T4。所谓一个T状态就是一个时钟周期。它是CPU执行操作的最小时间单位。

机器周期:

通常用从内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期(机器周期),也即CPU完成一个基本操作所需的时间。通常一个机器周期包含12个时钟周期,在8051系列单片机的一个机器周期由6个S周期(状态周期)组成。 一个S周期=2个节拍(P),也就是一个状态周期包含2个时钟周期,所以8051单片机的一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。又称CPU的工作周期或基本周期,总线周期。

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,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。指令不同,所需的机器周期也不同,比如一个复杂指令可能需要很多个机器周期才能完成,而每个机器周期又由多个时钟周期完成。

计算机系统有一系列的“周期”概念,区别、联系地理解这些概念至关重要。以下对时钟周期、振荡周期、机器周期、CPU周期、状态周期、指令周期、总线周期、任务周期进行简单介绍。

周期

       在电子技术中,脉冲信号是一个按一定电压幅度,一定时间间隔连续发出的脉冲信号。脉冲信号之间的时间间隔称为周期;而将在单位时间(如1秒)内所产生的脉冲个数称为频率。频率是描述周期性循环信号(包括脉冲信号)在单位时间内所出现的脉冲数量多少的计量名称;频率的标准计量单位是Hz(赫)。电脑中的系统时钟就是一个典型的频率相当精确和稳定的脉冲信号发生器。

时钟周期

    时钟周期,一般也称振荡周期(如果晶振的输出没有经过分频就直接作为cpu的工作时钟,则时钟周期就等于振荡周期),即CPU的晶振的工作频率的倒数,是计算机中最基本的、最小的时间单位。通常成为节拍脉冲或者T周期。对于单片机时钟周期,时钟周期是单片机的基本时间单位,两个振荡周期(始终周期)组成一个状态周期。

振荡周期(oscillating period)

  在衰减振荡中,两个相邻同方向峰值之间的时间称为振荡周期Tp,振荡频率2π/Tp。在相同衰减比下,振荡周期越短或振荡频率越高,则回复时间越短,因此振荡周期(频率)反映系统响应快慢的指标。

机器周期

    机器周期,一般也叫CPU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(如,取指令、存储器读、存储器写等),每一阶段完成一项工作(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。

CPU周期

  又称机器周期,CPU周期定义为从内存读取一条指令字的最短时间。一个指令周期常由若干CPU周期构成。

状态周期

     在8051单片机中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)。

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。一个机器周期包含6个状态周期(S1-S6),而一个状态周期又包含两个时钟振荡周期(简称时钟周期)。例: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。

指令周期

   指令周期是执行一条指令所需要的时间,即CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。一般由若干个机器周期组成,从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。指令不同,所需的机器周期数也不同。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

    总线周期通常指的使通过总线完成一次内存读写操作或完成一次输入输出设备的读写操作所必须的时间。由于存储器和I/O端口是挂接在总线上的,CPU对存储器和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(存储器或I/O接口)进行一次访问所需时间称为一个总线周期。一个总线周期一般包含4个时钟周期,这4个时钟周期分别称4个状态即T1状态、T2状态、T3状态和T4状态。

任务周期

       周期任务是指计算机系统按一定周期达到并请求运行,每次请求称为任务的一个任务实例,任务实例所属任务的起始时刻称为该任务实例的到达时刻,任务实例被置为就绪态的时刻称为该任务实例的释放时刻。

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