严浦洲 合肥工业大学 计算机与信息学院计算机与信息工程系

引言

早期CPU都是单周期的，结构简单，即让CPU每个时钟周期执行一条指令。但有的指令执行耗时长，有的指令执行耗时短，且CPU是执行完一条指令再处理下一条的，既然给每个指令的时钟周期都是相同的，那么时钟周期就是耗时最长的指令所需的时间。后来人们意识到了计算机的巨大能力，这时为了提升CPU的速度，优化CPU的结构，对指令集的所有指令作分析，可以发现它们处理过程有相同的地方，于是便可将所有的指令切成几段基本操作，指令执行过程由多个基本操作组成，便引入了多周期CPU结构。

1 设计原理

多周期 CPU 是将单条指令的执行划分为若干个工作周期，每个工作周期用一个时钟周期完成，每条指令的具体功能决定了完成该指令需要的工作周期数目。指令执行过程中状态的转换由有限状态机进行实现，控制单元根据指令和其所处工作周期发出为操作命令信号来控制指令的执行。CPU在处理指令时，一般需要经过以下几个阶段：

(1) 取指令：根据PC中的指令地址，从存储器中取出一条指令，同时PC根据指令字长度自动递增产生下一条指令的指令地址。(2)指令译码：对指令进行分析并译码，确定这条指令需要完成的操作。(3)指令执行：根据指令译码得到的操作控制信号，具体地执行指令动作。(4)存储器访问：所有需要访问存储器的操作都将在此步骤执行，该步骤给出存储器的数据地址，把数据写入到存储器中数据地址所指定的存储单元或取出。……