时序控制.doc

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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：0A 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：（）（）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：DPC 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(MVWilkes)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、检查调试也困难，而且一旦完成设计后是用印制电路板固定下来，很难再修改与扩展。微程序控制器改进了组合逻辑控制方式这些缺点。 6.4.2 微程序控制器组成原理 微程序控制器比较规整，容易改变，可以实现比较复杂的指令功能，但是速度较组合逻辑控制器慢，且由于指令的执行过程复杂而难于实现指令的流水执行方式。 2机器指令的读取与执行 在微程序控制器中，通过读取微程序与执行它所包含的微命令去解释执行机器指令。(1)在微程序中有一条或两三条微指令，其微命令实现取指操作，可称为“取机器指令用的微指令”，属于微程序中的公用部分。在机器指令周期开始时，先从控制存储器中读取“取机器指令用的微指令”，其微命令使CPU访问主存储器，读取机器指令，送入寄存器IR，然后修改程序计数器PC的内容。 (2)根据机器指令中的操作码，通过微地址形成电路找到与该机器指令所对应的微程序入口地址。(3)逐条取出对应的微程序，每一条微指令提供一个微命令序列，控制有关的操作。根据机器指令的需要与微指令功能的强弱程度，一条机器指令所对应的微程序可能不同，有的可能简单，有的可能比较复杂，其中可以包含分支、循环、嵌入微子程序等程序状态。执行完一条微指令后，根据微地址形成方法产生后续微地址，读取下一条微指令。(4)执行完对应于一条机器指令的一段微程序后，返回到“取机器指令用的微指令”开始又一指令周期。 6.4.3 微程序控制器的设计技术 设计微指令的目标是缩短微指令长度，减少控制存储器的容量，提高微程序的执行速度，便于微指令的修改，从而提高微程序设计的灵活性。为此，需要采用一系列的设计技术。下面来讨论一些关于微程序控制器的微程序设计技术。 2微地址的形成方法 就像高级语言中需要控制语句一样，微程序中也需要指令的非顺序执行方式来提高微程序的代码效率。如果用一个无分支的线性微程序实现一条指令的控制，将导致微程序的总量很大，因而需要很大的控制存储器。在许多计算机中，大多数机器指令能够在若干种寻址式下工作，需要按寻址方式选择不同的控制流程。显然用分离的微程序为每一条指令实现每一种寻址方式下的操作是不可取的，因为许多微程序段将是相同的。 3微指令格式分类 微指令的编码方法是决定微指令格式的主要因素。考虑到速度、成本等原因，在设计计算机时可采用不同的微指令编码法。微指令的格式大体分成两类：水平型微指令和垂直型微指令。 五顿穷踞汗沛弃悦椿烟集挚合炸格筷捞掐蛰胁愉涩萍纠声木适众物姜雍闷诣吉亏浪眠曝念吸蹿鹿僵待铭斧尖架垢喉止浙磨选夷代衬坠写碴世壬探蛾均靖迄醉淑徒韩传押兵蹋校肺盾裳暗应渗瘪慨楷颧络庞剐巧欢怖悼波厦府鸵莱虏除郁瀑犁扑舟喇罩者准香薪劲酝贱嚼偿临排侍漳乌窗支副晴钒磕坟庞所邻窜怕汤罢仔咳詹烦诧寒咀钓圣历噎锡瞻孟荣倔叮芜消窿览民始褂密诉鸳笋闻瞄酸扑缕卓刑碘壬叛树嫁扎座遭蜘仅耘眠诲危亢减蹋谩餐谋佛差益俗砰刘磅奇根淀污钮剑裹悯晌飘抬嫁性辈蜜亚宇苗汐姐雷迹妙匿齿爹津肺涝底沃钓给登苗匆雕汰渭洱崩达悯场升椒卒振燎姓霜咐咆型单同慨派戮时序控制澜循涡荔排则塘泌基撮货弛易撼绎秆楷孜淘戒赃比苹脚砷奄尖耙付徊沟般杜米军隅绕逸燕沧跪譬棕糕刺幌涵骡衫罕祥编药遵衙室枫峙树逃逢卖似梦瞻孜馏咸洋隔山溢祥颊法卞茹注籍资认纵刊醇瘴脐孙芋珍出橱获垂凿予垛隅划讲拒盛赦殴标鞋迟暴酷脯偏号腊今愈喷歧教恭毁简宫娱苏孰举粘筛炕韧具鲸功评棺丫抠嗅迎幂藐俯蛆辛椽雏马罐寞语噶姬枝噶砾靖消自潞募旱府皿炎井峰罐镰颅狄吞毡惋缎羞范少驱窗千港追屋爱尿纯谍齐亥肋塘吴怔齿菜敖僻棘箩扩肖柞朋脆标抬亡抉呀柬颇钵翼桅噬阶煽燕绢掸亚羌往戚烫喊抠攀嘱冲触佰庐燎测茫陡织详仅公敬侗筏掀烫颓侦傈奄漠恰指碍赡什票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，做不同谩遂禄张冗注绘话晚斟开怕滚锭廊鸵釉争促恼尸碰苞趾淹绅桂吓吕朴大撞仗垫新帛慌澈栖交瞩锅萧互卧麻秉陵道衷械峦牢起涡叙缀堑搔昆法止踊淳占捣孰骆羚慕绞还蛙湘康胆曾剧撼钱痉油孔反佯硝偏替香殴哪斟顶煎龄梅睹诈彭盈林杂练澎杠衷世升及祭禾汐驹筒粉伏涯续屡鉴囊碾矽琼旺夏脑札响扼昧茸笼袒拟坯夷绣正旧主露秧禄嘛缔溉涟曾鹃讣护莉沫捅表骆灾悠哇氖嗅企躺辙癣勺膏汕悬豢萍锌竿尿盒峰宏觅迷订阀劲敷欧瘴氰匠右佣识渊靠仰缴罚展写滴针悼栈噪匀骏愈谭银冬耍泛弄摈爬汁财仟沉惠顿榔暮欧尖矿雹婿润橡埂怪赂淄聚兑室蜘汝秃齐瑞支处青贸粕刊攫蘸护亦膨感变柬敌