[科普中国]-机器周期

在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这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。1一般情况下，一个机器周期由若干个S周期（状态周期）组成。通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期，(也就是计算机通过内部或外部总线进行一次信息传输从而完成一个或几个微操作所需要的时间）)，它一般由12个时钟周期（振荡周期）组成，也是由6个状态周期组成。而振荡周期=1秒/晶振频率，因此单片机的机器周期=12秒/晶振频率 。2

简介节拍与状态：把振荡脉冲的周期定义为节拍（用p表示）。振荡脉冲经过二分频后定义为状态。一个状态就包含两个节拍。2

指令周期（Instruction Cycle）：取出并执行一条指令的时间。2

总线周期（BUS Cycle）：也就是一个访存储器或I/O端口操作所用的时间。2

时钟周期（Clock Cycle）：又称震荡周期，是处理操作的最基本单位。(晶振频率的倒数）2

指令周期、总线周期和时钟周期之间的关系：一个指令周期由若干个总线周期组成，而一个总线周期时间又包含有若干个时钟周期。1

一个总线周期包含一个（只有取址周期）或多个机器周期。1

指令周期CPU每取出一条指令并执行这条指令，都要完成一系列的操作，这一系列操作所需要的时间通常叫做一个指令周期。换言之指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间。由于各条指令的操作功能不同，因此各种指令的指令周期是不尽相同的。3例如一条加法指令的指令周期同一条乘法指令的指令周期是不相同的。 指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期也称机器周期。指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。通常含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令。2

总线周期1.微处理器是在时钟信号CLK控制下按节拍工作的。8086/8088系统的时钟频率为4.77MHz，每个时钟周期约为200ns。2

2.由于存贮器和I/O端口是挂接在总线上的，CPU对存贮器和I/O接口的访问，是通过总线实现的。通常把CPU通过总线对微处理器外部（存贮器或 I/O接口）进行一次访问所需时间称为一个总线周期。一个总线周期一般包含4个时钟周期，这4个时钟周期分别称4个状态即T1状态、T2状态、T3状态和 T4状态。1

时钟周期一个CPU周期时间又包含若干个时钟周期。时钟周期定义为时钟脉冲的倒数（可以这样来理解，时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是1/12 μs），是计算机中最基本的、最小的时间单位。3

在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的步调上来）。1显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。但是，由于不同的计算机硬件电路和器件的不完全相同，所以其所需要的时钟周频率范围也不一定相同。我们学习的 8051单片机的时钟范围是1.2MHz-12MHz。1

一个机器周期包含六个状态周期（用S表示）。一个状态周期有两个节拍（用P1、P2表示）。1

8051系列单片机的一个机器周期同6 个S周期（状态周期）组成。也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个振荡周期（即时钟周期）。3

概念辨析总结一下，它们之间的关系就是，指令周期由若干个机器周期组成，总线周期一般由4个时钟周期组成。1

机器周期和总线周期 并无明确的相互包含的关系。机器周期指的是完成一个基本操作的时间，这个基本操作有时可能包含总线读写，因而包含总线周期，但是有时可能与总线读写无关。1

指令周期：是CPU的关键指标，指取出并执行一条指令的时间。一般以机器周期为单位，分单指令执行周期、双指令执行周期等。处理器的大部分指令（ARM、DSP）均采用单指令执行周期。2

机器周期：完成一个基本操作的时间单元，如取指周期、取数周期。1

时钟周期：CPU的晶振频率的倒数的。(fantaxy:晶振一次需要的时间)1

一个机器周期一般是一条指令花费的时间，也有些是2个机器周期的指令，DJNZ，是双周期指令。3

周期：就是时间，完成一次任务的时间1

时钟周期：这个名字的英文clock cycle; clock period；时钟是用来计时的，是一个基本单位；在计算机中，cpu的晶振时间就是一个最最基本的单位，因此时钟周期很基本，别的周期都用它来参考。3

本词条内容贡献者为:

尚轶伦 - 副教授 - 同济大学数学科学学院