机器周期（计算机组成原理）

Question

1.下面是我对机器周期的理解，
机器周期，是完成一个基本操作所需要的时间我们叫一个机器周期，这个基本操作是什么样的一个高度呢？对不同的计算机有不同的划分，有的机器认为完成一条指令这样高度，这样级别的就是基本操作，那机器周期的时间长度=指令取指周期+间址周期+执行周期+中断周期。比如单片机，那一个指令的完成就需要一个机器周期，但是对于另一部分计算机来说，它对于基本操作的划分与前面的机器有所不同，它认为指令这个还是太大了，它认为指令是多个基本操作的叠加，取指周期，间址周期，执行周期，中断周期这四个周期每一个周期里面所完成的所有操作才能算是一个基本操作。所以它的机器周期的时间就是那个基本操作的时间。以上是我对机器周期的理解，请问这个理解是否正确呢？
2.现在对于这个理解，我有一些疑问。
如果是后者，那个机器它认为指令这个还是太大了，它认为指令是多个基本操作的叠加，取指周期，间址周期，执行周期，中断周期这四个周期每一个周期里面所完成的所有操作才能算是一个基本操作。那这个机器周期的时间应该就是每一个周期所要的时间，但是为事实为什么不是这样呢？为什么要设一次访存时间是一个机器周期呢？
如果设置一个访存周期为机器周期，就会出现下面这种情况：
指令的执行，比如取指周期（PC->MAR，MAR->M，M->MDR，MDR->IR，IR->CU，CU-＞PC+1），前4个操作要一个机器周期，后面两个操作要开始新的机器周期，那这个新的机器周期还有一部分又到间址周期，此时，机器周期的更替和指令执行周期的更替肯定不一样。那怎么办？既然有这种问题，为什么不设置一个指令执行的取指周期的时间长度就是机器周期呢？为什么偏要设置指令周期里的一个存储周期的时间呢？
以上就是我的问题，能不能回答我的问题？求你们了，回答一下我的问题行不？求你了真的能不能回答一下我真正提的问题

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:

关于机器周期的概念以及其在不同计算体系结构中的应用，确实存在一些复杂性和争议性的问题。以下是根据当前学术界和实际应用中的一些观点进行的一般解释和分析。

机器周期的定义及其应用

机器周期（Machine Cycle）通常指的是在一个完整的处理器周期内能够完成的基本操作或者指令集中的操作。在现代处理器设计中，机器周期被细分为多个子时钟周期（Sub-cycles），例如在8086微处理器中，一个机器周期由5个子时钟周期组成：取指周期（Instruction Fetch）、间址周期（Addressing）、执行周期（Execution）、中断处理周期（Interrupt Handling）和复位周期（Reset）。这些子时钟周期分别对应于从CPU寄存器读取指令、地址运算、执行指令、响应中断请求和清除异常状态等过程。

设计中如何确定机器周期

机器周期的设定：

• 现代架构：如Intel x86系列和ARM架构，它们的设计目标在于实现高性能和低功耗，因此机器周期往往比其他非核心任务（如I/O操作）短得多。
• 特殊用途计算系统：如超级计算机和嵌入式系统，为了提高性能密度和降低延迟，可能需要较长的机器周期来支持更复杂的计算和数据交换。
• 多核处理器：每个核心可以独立地运行，这意味着每条指令可以在多个周期内执行，从而提高了整体效率。

存储周期和机器周期的关系

存储周期：存储周期（Storage Cycle）是指在单个物理时钟周期内完成的数据传输操作。现代处理器设计倾向于将大部分的计算工作分配给高速缓存（Cache）而不是主内存，因为Cache的速度远高于内存速度，这有助于减少总延迟并提高处理器的整体性能。

机器周期：机器周期是所有数据传输操作（包括读写寄存器、访问外部设备等）的集合，而存储周期则是其中的一部分。尽管如此，大多数情况下，机器周期会被简化为单个存储周期，因为大多数数据传输操作都发生在存储周期内。

解决方案和建议

针对您提到的问题，我们可以提出以下几个解决思路：

1. 考虑实际应用场景：在选择机器周期时，应考虑到特定应用的需求。例如，在游戏或其他实时系统中，机器周期可能需要更长以确保响应及时。

2. 优化资源利用：通过合理的编程策略和调度算法，可以优化程序的执行顺序，使得关键操作尽可能在同一个机器周期内完成，从而提高整体效率。

3. 采用异步处理机制：对于那些在短时间内不需要大量计算结果的应用，可以考虑使用异步处理机制，即在等待一段时间后立即返回，以便充分利用剩余的机器周期。

4. 使用虚拟化技术：在多核或多处理器系统中，可以通过虚拟化技术将单一的机器周期分割成多个子时钟周期，每个子时钟周期代表一个独立的计算单元，以满足不同的计算需求。

综上所述，机器周期的设定受到多种因素的影响，包括处理器设计的目标、应用的具体要求以及系统资源的限制。合理规划和优化机器周期，可以帮助提升系统的性能和可靠性。