微处理器设计/单周期处理器
< 微处理器设计
单周期处理器是我们一直在学习的：从内存中获取指令，执行指令，并将结果全部存储在一个时钟周期内。
单周期处理器的优点是，它们在硬件要求方面往往是最简单的，而且设计起来很容易。不幸的是，它们往往数据吞吐量很差，需要很长的时钟周期（低时钟速率）才能及时执行所有必要的计算。
周期的长度必须足够长，以容纳处理器中可能的最长传播延迟。这意味着一些指令（通常是算术指令）会很快完成，并且每个周期都会浪费时间。其他指令（通常是内存读写指令）将具有更长的传播延迟。
如该图所示，指令在所有 5 个组件都执行完之前不会结束。这意味着周期的长度必须是最长指令的长度。从处理器的一端到另一端的最长路径称为**关键路径**，用于确定周期时间。
单周期处理器通常需要多个 ALU（或一个主 ALU 和较小的 ALU）来处理指令指针上的增量操作以及数据内存的内存地址计算。当资源有限时，在设计中拥有多个 ALU 单元可能会很昂贵且毫无意义。构造一个添加常数值的加法器所需的资源几乎与构造一个更通用的加法器单元所需的资源一样多。
现代处理器单元很少（如果不是完全闻所未闻）采用单周期设计。造成这种情况的原因是周期时间长，资源浪费，以及每个周期中大量的时间浪费。单周期在时间和效率上缺乏，但在简单性和优雅性方面弥补了这一点。正是出于这个原因，单周期处理器是一个很好的教学工具，但在实际设计中很少被采用。