中央处理器：指令的执行过程

指令周期相关概念

CPU从主存中取出并执行一条指令所需要的时间称为指令周期。
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，该阶段所花费的时间称为机器周期（CPU周期）。指令周期常常用若干个机器周期数来表示。
一个完整的指令周期：取指周期、间址周期、执行周期、中断周期

指令执行的方案

用MIPS指令的执行说明（不懂也没关系，知道思想即可）
IF（取指）、ID（译码/取数）、EX（执行）、MEM（访存）、WB（写回）

单指令周期

• 所有指令的执行周期固定为单一的时钟周期
• 指令之间串行完成，即下一条指令只能在前一条指令结束之后启动。
• 时钟周期由最长的指令周期决定。（因为需要保证完成所有指令的功能。比方说采用R型指令的指令周期作为周期长度，那么LW指令将无法完成取数和存数的功能）
• 哈佛体系结构：指令存储区和数据存储区分别保存指令和数据

如：R型指令：IF，ID，EX，WB
LW指令：IF，ID，EX，MEM，WB

由此可知，该执行方案会造成时间的损失。因为单周期的设计中，时钟周期对所有的指令等长。而时钟周期由最长的执行路径所决定，一般为取数指令。但是某些指令类型本可以在更短的时间内完成。
解决方案:

• 采用可变的时钟周期（还是单时钟周期，但是不同类型的指令的时钟周期的长度不同）
  优点：采用可变的时钟周期，时间性能比单周期高
  缺点：但是控制比单周期要复杂和困难，得不偿失。
• 改进的方案：使用多指令周期

多指令周期

• 将一条指令的执行拆分成多个步骤，每一个步骤一个时钟周期，则指令的执行周期为多个时钟周期。不同指令的执行步骤不同，则包含的时钟周期数不同。
• 指令之间串行完成，即下一条指令只能在前一条指令结束之后启动。
  优点
• 不同的指令的执行占用不同的时钟周期数
• 一个功能单元可以在一条指令的执行过程中使用多次，只要不在一个时钟周期
  缺点
  需要添加多个寄存器用来保存个步骤执行的结果

小结：

单周期和多周期的比较：

• 单周期下的功能部件不能重复使用；多周期可以重复使用
• 单周期下的执行结果保存在寄存器和存储器中；多周期还需要添加临时的寄存器存放每个步骤的执行结果
• 单周期的控制信号在指令的执行过程中不会发生改变；多周期的控制信号在指令的执行过程中（每一个周期之后）会发生改变

流水线方案

引言
之前的单周期和多周期处理器的指令执行都是串行方式。在串行方式下，CPU总是在执行完一条指令后才能取出下一条指令执行，没用利用部件的并行性。对此，指令的执行可以采用流水线的方式，将多条指令的执行相互重叠起来，以提高CPU执行指令的效率。