时序控制

时序控制

计算机的工作过程是执行指令的过程。一条指令的读取和执行过程常常需分成读取指令、读取源操作数、读取目的操作数、运算、存放结果等步骤。这就需要一种时间划分的信号标志，如周期、节拍等。同一条指令，在不同时间发送不同的微操作命令，做不同的事，其依据之一就是不同的周期、节拍信号。CPU的许多操作都需要严格的定时控制，比如在规定的时刻将已经稳定的运算结果打入某个寄存器，这就需要定时控制的同步脉冲。计算机系统中产生周期节拍、脉冲等时序信号的部件称为时序发生器。对于时序发生器及时序的概念在前面第二章有专门的叙述。下面着重叙述时序控制方式、多级时序的建立和典型的指令周期。 一、 时序的概念

计算机的时间控制称为时序。指令系统中每条指令的操作均由一个微操作序列完成，这些微操作是在微操作控制信号控制下执行的。即指令的执行过程是按时间顺序进行的，也即计算机的工作过程都是按时间顺序进行的。

时序控制方式分为同步控制和异步控制两大类。 （一） 同步控制 （1） 时间分配

同步控制的基本特征是将操作时间划分为许多时钟周期，周期长度固定，每个时钟周期完成一步操作。CPU则按照统一的时钟周期来安

排严格的指令执行时间表。各项操作应在规定的时钟周期内完成，一个周期开始，一批操作就开始进行，该周期结束，这批操作也就结束。各项操作之间的衔接取决于时钟周期的切换。 （2） 同步定时

有许多操作需要严格的同步定时。时钟周期提供了加法运算的时间段，即时间分配。同步打入脉冲则决定读入运算结果的时刻，即同不定时。

（3） 各部件间的协调

在一个CPU的内部，通常只有一组统一的时序信号系统，CPU内各部件间的传送也就由这组统一的时序信号同步控制。 （二） 异步控制

异步控制方式指操作按其需要选择不同的时间，不受统一的时钟周期的约束，各项操作之间衔接与各部件之间的信息交换采取应答方式。 二、 指令周期 多级时序的建立 1．时序划分层次 (1)指令周期

读取并执行一条指令所需的时间称为一个指令周期。不同类型的指令，其指令周期的长短可以不同。通常，以开始取指令作为一个指令周期的开始，即上一个指令周期的结束。有的CPU设置有专门的取指标志，但一般都不在时序系统中为指令周期设置完整的时间标志信号，因此一般不将指令周期视为时序的一级。

(2)CPU工作周期

在组合逻辑控制器中常将指令周期划分为若干个工作阶段，如取指令、读取源操作数、读取目的操作数、执行等阶段。在不同工作阶段中完成不同的操作，依据的指令代码段也各不相同。例如，在读取源操作数时，依据的是指令中源地址代码；而在读取目的操作数时，依据的是目的地址段代码；在执行阶段，则依据指令的操作码段。为此，在时序系统中划分若干种工作周期，以对应不同工作阶段所需的操作时间，例如取指周期、源周期、目的周期，执行周期等。在有的机器中将工作周期这一级称为机器周期，或称为基本周期 (3)时钟周期(节拍)

一个工作周期的操作可能需要分成几步完成，例如按变址方式读取操作数，先要进行变址运算才能访存读取。所以在同步控制方式中，时序系统需按固定时间分段设置时钟周期。每个时钟周期(又称为一拍)完成一步操作，如一次传送、加减等，这是时序系统中最基本的时间分段。各时钟周期长度相同，一个工作周期可根据其需要，由若干个时钟周期组成。不同工作周期，或不同指令中的同一种工作周期，其时钟周期数目可以不同。

确定一个时钟周期的长度有两种设计策略。 6.3 指令周期

6.3.1 指令周期的基本概念

CPU要执行的指令及处理的数据均存放在主存中，指令和数据都以二进制编码表示，因此，从形式上看，数据和指令很难区别。然

而，CPU却能区分出哪些是指令，哪些是数据，根据指令的操作要求对数据实现处理。CPU之所以能自动地执行指令，是因为它能按程序中的指令序列取指令，并对指令进行译码、执行。CPU在执行程序的过程中，先按程序记数器(PC)的值从主存中一条指令，然后译码、执行，紧接着又取下一条指令，译码、执行。依此重复，直至遇停机指令

1．非访内指令的指令周期

清累加器指令(CLA)是非访内指令，需要两个CPU周期，取指令阶段一个CPU周期，执行指令阶段一个CPU周期。 操作是：0→A

第一个CPU周期，即取指令周期。 第二个CPU周期，即执行指令周期。 2．直接访内指令的指令周期

加法指令(ADD，D)是直接访内指令，需要三个CPU周期，取指令阶段一个CPU周期，执行指令阶段两个CPU周期。 操作是：A十(D)→A

第一个CPU周期，即取指令周期，操作过程与CLA指令相同。 第二个CPU周期，将操作数的地址送往地址寄存器并完成地址译码。

第三个CPU周期，从内存取出操作数并执行相加操作。 3．间接访内指令的指令周期

如存数指令(STA，＠D)是间接访内指令，需要四个CPU周期，取指

令阶段一个CPU周期，执行指令阶段三个CPU周期。

操作是：（Ａ）→（Ｄ）

第一个CPU周期，即取指令周期，操作过程与CLA指令相同。 第二个CPU周期，送地址指示器，即操作数地址的地址。 第三个CPU周期，取操作数地址。 第四个CPU周期，存储结果。

4．程序控制指令的指令周期

无条件转移指令(JMP，D)是程序控制指令，指令周期需要两个CPU周期，取指令阶段一个CPU周期，执行指令阶段一个CPU周期。 操作是：D→PC

第一个CPU周期，即取指令周期，操作过程与CLA指令相同。 第二个CPU周期，把转移地址送程序计数器(PC)。 6.4 微程序控制器

微程序控制的概念与原理最早是由英国剑桥大学的威尔克斯(M．V．Wilkes)教授于1951年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出的，其主要目的是希望能实现灵活可变的计算机指令系统。微程序控制后来历经种种演变，在只读存储器ROM所需的微技术成熟后得到了非常广泛的应用。 6.4.1 微程序控制器的基本概念

微程序控制和组合逻辑控制是微命令产生的两种方式。组合逻辑控制方式是用许多门电路来产生微命令，而这些门电路所需的逻辑电路形态很不标准，因而组合逻辑控制器设计起来很复杂、设计效率低、

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