计算机组成原理 机器周期

Question

我想问机器周期的概念是什么？说它是完成一个基本操作所需要的时间，那不是有很多基本操作，所以机器周期长度可以有长有短？此外，机器周期是指令执行过程中引出来的，它是说一个指令分成很多周期，比如取指，间址，执行，中断周期，每一个周期都完成一个基本操作，把完成每个基本操作的时间叫做机器周期，那机器周期不就是这些，取指，间址，执行，中断周期的等意词吗？此外，机器周期它到底有多少时间，为什么有人说它被定义为等于一个访存周期又紧接着说一个机器周期等于取指周期这样一个荒唐的说法，取指周期包括访存但多于它不是吗？机器周期到底是等于一个取指周期，就是包括pc+1这些类似的操作所要的时间还是就是取指周期中仅仅寻址访问内存那一段所要的时间

Answer 1

以下回复参考：皆我百晓生、券券喵儿等免费微信小程序作答:

机器周期是计算机内部进行计算和数据处理的基本单位。在处理器设计中，机器周期是一个非常重要的概念，因为它描述了CPU（中央处理器）在一个完整的时钟周期内所能完成的任务。

机器周期通常由以下几个部分组成：

1. 取指周期：在这个周期内，CPU从主存储器读取一条指令。
2. 间址周期：在此期间，CPU根据当前的程序计数器（PC）值查找指令中的地址，并将结果写入主存储器。
3. 执行周期：在这段时间里，CPU执行指令并将其结果保存到主存储器。
4. 中断周期：当CPU遇到异常情况（如外部设备请求或其他类型的中断），会暂停执行当前指令，转而去处理中断事件，然后返回执行原指令。

机器周期的长度取决于CPU的设计，以及具体使用的微架构。不同的CPU有不同的时钟频率，因此机器周期也不同。例如，一些低性能的CPU可能包含多个机器周期，而更高级别的CPU则可能会包含更多的机器周期。

关于机器周期是否等于取指周期，这是一个误解。实际上，机器周期包含了取指、间址、执行和中断这四个基本步骤，而不是简单的取指过程。每个步骤都有其独立的时钟周期。因此，机器周期应该等于取指周期加上其他三个步骤所需的总时间和间隔。

下面是一个简化的示例，展示了如何计算单个机器周期：

# 假设一个50MHz的处理器，每条指令平均占用16个时钟周期
cpu_frequency = 50e6  # MHz
instruction_length = 16  # 每条指令占多少个时钟周期

# 计算一个时钟周期对应的机器周期
machine_cycle_time = cpu_frequency / instruction_length

# 计算一个机器周期对应的取指周期
take_instruction_time = machine_cycle_time - (instruction_length + 1)  # 1用于等待取指响应

这个例子展示了如何计算一个机器周期，包括取指周期和其它几个基本步骤所需的时间。请注意，这只是一个简化的情况，实际的处理器设计会更加复杂。