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在这个考点中,主要需掌握几个基本概念:时钟频率、时钟周期、机器周期、指令周期和指令执行速度。
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时钟频率(时钟脉冲,主频)是计算机的基本工作脉冲,它控制着计算机的工作节奏。因此,计算机的时钟频率在一定程度上反映了机器速度。显然,对同一种机型的计算机而言,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不完全相同,因此其所需要的时钟频率范围也不一定相同。相同频率、不同体系结构的机器,其速度和性能可能会相差很多倍。
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时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟频率的倒数。时钟周期是计算机中最基本、最小的时间单位。在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。
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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、存储器读和存储器写等,每一项工作被称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下,一个机器周期由若干个时钟周期组成。
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指令周期是执行一条指令所需要的时间,一般由若干个机器周期组成。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而言,在取指令周期中,指令取出到指令寄存器后,立即译码执行,不再需要其他的机器周期。对于一些比较复杂的指令,例如转移指令和乘法指令,则需要两个或两个以上的机器周期。
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为了帮助读者搞清楚这些概念之间的关系,下面通过一个例子来进行说明。
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假设计算机A和计算机B采用同样的CPU,计算机A的主频为20MHz,计算机B的主频为60MHz。如果两个时钟周期组成一个机器周期,平均三个机器周期可完成一条指令,则有以下结论。
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(1)计算机A的时钟周期为1/(20M)=50ns(1s=109ns)。因为“两个时钟周期组成一个机器周期”,所以一个机器周期为2×50ns=100ns。又因为“平均三个机器周期可完成一条指令”,所以平均指令周期为3×100ns=300ns。也就是说,指令平均执行速度为1/(300ns)≈3.33MIPS,其中MIPS的含义为“百万条指令/每秒”。
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(2)因为计算机B的主频为60MHz,是计算机A主频的60/20=3倍,所以计算机B的平均指令执行速度应该比计算机A快两倍,即计算机B的指令平均执行速度为3.33×3≈10MIPS。
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