时钟周期,机器周期,指令周期的区别

Posted 2020-09-22

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（时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时钟周期就是1/12us），是计算机中的最基本的、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，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
 
       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。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），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。
 
       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。

CPU 周期信号、节拍周期信号、节拍脉冲信号三者之间的关系是什么？

      一小块石英晶体加电后产生压电反应，在固定频率振动，产生出电压按照固定周期变化的脉冲信号。这个高频率的信号通向分频器（frequency divider），转化为比较低频的信号。

（ http://www.electronics-tutorials.ws/counter/count_1.html ）

     以上图为例，分频器分出来的信号有四个频率。题目中所说 CPU周期信号、节拍周期信号、节拍脉冲信号本质上都是时钟脉冲的不同分频，主要区别在于用途上。

     通常来说，CPU 周期信号最“慢”，它决定 CPU 所处的状态。CPU 执行一条指令的周期叫做指令周期（instruction cycle），指令周期可以划分为 fetch、decode、和 execute 三个部分，所以也叫 fetch-decode-execute cycle。假设上图与 QD 频率相同的信号有三个，QD1、QD2、QD3，它们分别依次处于高电位，那么就可以用它们来控制 CPU 处于 fetch、decode、还是 execute 状态，这就是 CPU 周期信号。

     节拍周期信号是控制信号，调整电路的功能。比如，现在 CPU 处于 fetch 状态，仍旧以上图为例，假设 QC 这个比 QD “快”的信号有 QC1、QC2、QC3……QCi 个，分别对应电路的不同功能（比如，应该将从内存中取来的数字作为指令解释，还是送给寄存器存起来），谁处于高电位，CPU 就能执行谁决定的功能。

      节拍脉冲信号则是触发信号，决定电路的实际工作起点。以上图的 QB 为例，假设 QD1 决定 CPU 处于 fetch 阶段，QC1 决定 CPU 的功能是去内存取一个数字，那么 QB 的上升沿会触发整个电路切实地执行这个功能。

      可以这样类比：

      某诊所周一二三门诊，周四五看复诊病人，周六日不办公
——对应三个 CPU 周期

      诊所星期一二三 8:00 开始门诊，12:00 午休，13:00 继续门诊，17:00 关门
——对应节拍周期

      某个病人星期二 9:00 去看了病
——对应脉冲信号

    （注意上面的说法极度简化，实际的实现要复杂很多，比如振动源不一定是石英，每个 CPU 周期未必等长，CPU 也并不是在某一时刻只能处于单独一种周期状态里（详见 pipelining），乃至周期层级也未必就是三层等等。）