计组面试题—指令周期与机器周期的区别是什么？

Author : Cyan_RA9
Source : 【卡码笔记】网站
Question : 指令周期与机器周期的区别是什么？

【简要回答】

指令周期与机器周期的概念：

• 指令周期：CPU执行一条指令所需的完整时间，包括取指、译码、执行等阶段。
• 机器周期：CPU完成一个基本操作（如取指、访存）所需的时间，通常由多个时钟周期组成。

指令周期与机器周期的对比：

• 如下表所示：

  对比项	指令周期（Instruction Cycle）	机器周期（Machine Cycle）
  定义	CPU执行一条指令所需的完整时间。	CPU完成一个基本操作（如取指、访存）所需的时间。
  包含的阶段	取指、译码、执行、写回等。	一个工作周期（如取指周期、访存周期）通常由一个或多个机器周期组成。
  时间长度	通常较长，涵盖一条指令的完整执行过程。	通常较短，是工作周期的组成部分。
  组成关系	包含多个工作周期（如取指周期、访存周期、执行周期等）。	是工作周期的组成部分。

【详细回答】

• 指令周期：
  将一条指令从 取出 到 执行完成 所需的时间称为指令周期，指令周期又可进一步划分为若干个机器周期（也称为CPU周期）。
• 机器周期：
  是指令周期中一步相对完整的操作所用的时间，通常定义为CPU从主存中取出一个存储字所需的最短时间，因为CPU的速度比主存快，所以机器周期一般设置为存取周期（存取周期 = 存储周期 = 存取时间 + 恢复时间）。
  而每个机器周期又包含多个时钟周期，时钟周期是CPU处理的最基本单位，其数值为时钟频率的倒数，也可称为节拍脉冲或T周期。
• 通常可以将指令周期划分为取指周期、间址周期 / 译码周期、执行周期、中断周期这4个工作周期。一般情况下，每个工作周期至少对应一个机器周期，即一个工作周期可能需要一个或多个机器周期完成，注意——此处的工作周期是一个更偏向功能角度的逻辑概念，而机器周期是时间概念。（不过也有些教材将工作周期当作是机器周期的另一种表述，请大家具体问题具体分析）

【知识拓展】

• 传统指令周期的划分将指令周期划分为4个工作周期。

  1. 指令执行时，首先进入取指周期，CPU 以 PC 为地址访问主存取指令，同时更新 PC 的值作为后续指令的地址，注意，如果当前指令为分支指令，且分支条件满足，那么在 PC + "1" 后会重新对 PC 的值进行修改；
  2. 然后判断是否存在间址周期，如果存在，就进入间址周期获取操作数的有效地址，随后进入执行周期；
  3. 否则，直接进入执行周期，在执行周期中，需要完成取操作数、执行运算和存操作数的任务。
  4. 在执行周期结束后，如果控制器检测到中断请求，处理器会进入中断周期，此时需要关中断、保存断点、修改 PC 值为 中断服务程序的入口地址，然后转向中断服务程序。（也就是说，中断周期只完成“中断响应”的任务，至于“中断处理”，即中断服务程序的执行，并不算在中断周期里面）

• 每个工作周期都可能有访存操作，但访存的目的不同，具体的访存目的见下表：

  CPU工作周期	访存目的
  取指周期	取指令
  间址周期	取操作数的有效地址
  执行周期	取 / 存操作数
  中断周期	保存断点、执行中段服务程序、恢复断点