时序系统与控制方式课件.ppt

1、时序系统 指令周期是指从取指令、分析取数到执行完该指令周期是指从取指令、分析取数到执行完该指令所需的全部时间。由于各种指令的操作功能不指令所需的全部时间。由于各种指令的操作功能不同，有的简单，有的复杂，因此各种指令的指令周同，有的简单，有的复杂，因此各种指令的指令周期不尽相同。期不尽相同。时序系统 机器周期又称机器周期又称CPU周期。通常把一个指令周期周期。通常把一个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期完成一个基划分为若干个机器周期，每个机器周期完成一个基本操作。一般机器的本操作。一般机器的CPU周期有取指周期、取数周周期有取指周期、取数周期、执行周期和中断周期等。所以有：期、执行周期和

2、中断周期等。所以有：指令周期指令周期i机器周期机器周期时序系统 在一个机器周期内，要完成若干个微操作。这在一个机器周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的可以同时执行，有的需要按先后次序些微操作有的可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而应把一个机器周期分为若干个相等串行执行。因而应把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个电位信号，称为的时间段，每一个时间段对应一个电位信号，称为节拍电位信号。节拍电位信号。节拍的宽度取决于节拍的宽度取决于CPU完成一次微操作的时间完成一次微操作的时间，如：，如：ALU一次正确的运算，寄存器间的一次传送一次正确的运算，寄存器间的一次传送

3、等。等。时序系统 由于不同的机器周期内需要完成的微操作内容由于不同的机器周期内需要完成的微操作内容和个数是不同的，因此，不同机器周期内所需要的和个数是不同的，因此，不同机器周期内所需要的节拍数也不相同。节拍的选取一般有以下几种方法节拍数也不相同。节拍的选取一般有以下几种方法：统一节拍法统一节拍法 分散节拍法分散节拍法 延长节拍法延长节拍法 时钟周期插入时钟周期插入时序系统 在节拍中执行的有些微操作需要同步定时脉冲在节拍中执行的有些微操作需要同步定时脉冲，如将稳定的运算结果打入寄存器，又如机器周期，如将稳定的运算结果打入寄存器，又如机器周期状态切换等。为此，在一个节拍内常常设置一个或状态切换等。

4、为此，在一个节拍内常常设置一个或几个工作脉冲，作为各种同步脉冲的来源。工作脉几个工作脉冲，作为各种同步脉冲的来源。工作脉冲的宽度只占节拍电位宽度的冲的宽度只占节拍电位宽度的1/n，并处于节拍的，并处于节拍的末尾部分，以保证所有的触发器都能可靠、稳定地末尾部分，以保证所有的触发器都能可靠、稳定地翻转。翻转。控制方式 CPU的控制方式可以分为同步控制方式、异步的控制方式可以分为同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式控制方式和联合控制方式3种。种。控制方式 同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位控制，在每个机器周

5、期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。和工作脉冲。同步控制方式设计简单，容易实现；但是对于同步控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。控制方式 在同步控制方式中，各指令所需的时序由控制在同步控制方式中，各指令所需的时序由控制器统一发出，所有微操作都与时钟同步，所以又称器统一发出，所有微操作都与时钟同步，所以又称为集中控制方式或中央控制方式。为集中控制方式或中央控制方式。控制方式 异步控制方式即可变时序控制方式，各项操作异步控制方

6、式即可变时序控制方式，各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。控制方式 这是一种这是一种“应答应答”方式，各操作之间的衔接是由方式，各操作之间的衔接是由“结束起始结束起始”信号来实现的。由前一项操作已经完信号来实现的。由前一项操作已经完成的成的“结束结束”信号，或由下一项操作的信号，或由下一项操作的“准备好准备好”信号信号来作为下一项操作的起始信号，在未收到来作为下一项操作的起始信号，在未收到“结束结束”或或“准备好准备好”信号之前不开始新的操作。信号

7、之前不开始新的操作。控制方式 异步控制采用不同时序，没有时间上的浪费，异步控制采用不同时序，没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。由于这种控制方式没有统一的时钟，而是由各由于这种控制方式没有统一的时钟，而是由各功能部件本身产生各自的时序信号自我控制，故又功能部件本身产生各自的时序信号自我控制，故又称为分散控制方式或局部控制方式。称为分散控制方式或局部控制方式。控制方式 联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。实际上现代计算机中几乎没有完全采用同步方式。实际上现代计算机中几乎没有完全采用同步

8、或完全采用异步的控制方式，大多数是采用联合控或完全采用异步的控制方式，大多数是采用联合控制方式。通常的设计思想是：在功能部件内部采用制方式。通常的设计思想是：在功能部件内部采用同步方式或以同步方式为主的控制方式，在功能部同步方式或以同步方式为主的控制方式，在功能部件之间采用异步方式。件之间采用异步方式。指令运行的基本过程 一条指令运行过程可以分为一条指令运行过程可以分为3个阶段：取指令阶个阶段：取指令阶段、分析取数阶段和执行阶段。段、分析取数阶段和执行阶段。指令运行的基本过程 取指令阶段完成的任务是将现行指令从主存中取指令阶段完成的任务是将现行指令从主存中取出来并送至指令寄存器中去。具体的操作

9、如下：取出来并送至指令寄存器中去。具体的操作如下：将程序计数器（将程序计数器（PC）中的内容送至存储器）中的内容送至存储器地址寄存器（地址寄存器（MAR），并送地址总线（），并送地址总线（AB）。）。由控制单元（由控制单元（CU）经控制总线（）经控制总线（CB）向存）向存储器发读命令。储器发读命令。指令运行的基本过程 从主存中取出的指令通过数据总线（从主存中取出的指令通过数据总线（DB）送到存储器数据寄存器（送到存储器数据寄存器（MDR）。）。将将MDR的内容送至指令寄存器（的内容送至指令寄存器（IR）中。）中。将将PC的内容递增，为取下一条指令做好准的内容递增，为取下一条指令做好准备。备。以

10、上这些操作对任何一条指令来说都是必须要以上这些操作对任何一条指令来说都是必须要执行的操作，所以称为公共操作。执行的操作，所以称为公共操作。指令运行的基本过程 公操作的微操作序列如下：公操作的微操作序列如下：(PC)MAR Read M(MAR)MDR (MDR)IR (PC)+1PC指令运行的基本过程 取出指令后，指令译码器（取出指令后，指令译码器（ID）可识别和区分）可识别和区分出不同的指令类型。此时计算机进入分析取数阶段出不同的指令类型。此时计算机进入分析取数阶段，以获取操作数。由于各条指令功能不同，寻址方，以获取操作数。由于各条指令功能不同，寻址方式也不同，所以分析取数阶段的操作是各不相同的式也不同，所以分析取数阶段的操作是各不相同的。指令运行的基本过程 执行阶段完成指令规定的各种操作，形成稳定执行阶段完成指令规定的各种操作，形成稳定的运算结果，并将其存储起来。完成执行阶段任务的运算结果，并将其存储起来。完成执行阶段任务的时间称为执行周期。的时间称为执行周期。计算机的基本工作过程就是取指令、取数、执计算机的基本工作过程就是取指令、取数、执行指令，然后再取下一条指令行指令，然后再取下一条指令如此周而复始，直如此周而复始，直至遇到停机指令或外来的干预为止。至遇到停机指令或外来的干预为止。