处理器一条指令需要几个时钟周期？

Posted 2022-11-28 kerneler_

思考个小问题，处理器执行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。

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。