第6章-控制器-时序系统（主要用来产生各种定时信号，以协调各部件工作）

Posted 2021-07-24 可能自洽

一、有关概念

1.指令周期

从取指开始，到执行完该指令所需的全部时间

2.机器周期（ CPU周期）

CPU执行一个基本操作所需的时间，一般以CPU在内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期

一个指令周期包含2～n个机器周期。
若某个机器周期被CPU用来
取指——CPU取指周期
执行——CPU执行周期
间址——CPU间址周期
处理中断——CPU中断周期
• 为标志CPU工作在哪个周期，每个周期设置一个周期状态触发器， CPU进入此周期，触发器为1，否则为0。

3. 时钟周期（节拍）（微机主频的倒数）

计算机中最基本的（不能再分的）时间单位
• 一个基本操作包括多个微操作，（如取指），即一个机器周期内要完成许多个微操作，每个微操作都需要一定的时间，于是，就将一个机器周期分成若干各个相等的时间段，每一时间段完成一个或二个微操作，每个时间段对应一个电位信号，称为节拍电位信号。
• 有些微型机中，不设节拍，而使用时钟周期，一个时钟周期就相当于一个节拍。
一个机器周期包含多个节拍

例如：机器主频16M，平均每条指令的执行时间为2个机器周期，每个机器周期由2个时钟周期组成，求机器的速度。

4MIPS

二、两种常见时序系统

1. 机器周期—电位—脉冲制

• 将一个机器周期，划分成若干个相等的时间段，每个时间段对应一个电位信号。
• 一个节拍内要完成一个或几个微操作，一般在一个节拍内设一个或几个脉冲，以作为触发信号。
如：寄存器在一个节拍内接收数据：
微操作：清0，打开数据传送通路，接收。
一个节拍，三个脉冲。（节拍做准备，脉冲来工作）
• 注：脉冲是一种触发信号，并非最小的时间单位。

2. 时钟周期时序系统

• 在一些微型机中，只设机器周期和时钟周期，不设脉冲，在这种系统中，时钟周期即做电位信号，其前沿和后沿又作为脉冲的触发信号。

三、控制器的控制方式

控制器如何在时序上对指令的执行过程实施控制。
• 一条指令的执行，是由许多个微操作组成的，不同的指令，对应着不同的微操作序列。控制器对指令流、数据流的控制，实质上是对这些微操作序列流的控制。在时间上如何安排这些微操作？或者说用怎样的时序方式来形成这些微操作序列？这就是控制器的时序控制问题。

1.同步控制

• 在任何情况下，已定的指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变，都由CPU统一的时序信号控制 （与主频同步） 。
• 由于不同指令的执行时间不同，因此，同步控制方式要选最长的指令执行时间做标准。其它指令和微操作也按这个统一标准执行，这样，全机各个部件都按统一时序工作，由一个时钟产生一系列微操作控制信号进行控制。这些微操作控制信号都与时钟信号（CPU的主频）同步。
特点：控制简单，设计方便，实现容易，费时，效率低。（社会主义大锅饭）
现在微、小型机中，都用改进的同步控制方式
中央控制：对指令执行时间接近，相等的指令，由中央控制器的主频时钟，实现同步控制。
局部控制：少数执行时间差别大的指令，由局部控制器发出的节拍控制但局部控制器的时钟，也要与中央时钟同步。

2.异步方式（分散控制）

• 机器没有统一的时钟，各部件分设自己的时钟，按照微操作实际所需，由应答线路来控制。
• 机器执行指令，需多少时间，就分配多少时间。
特点：省时、效率高、但控制复杂。（共产主义按需分配）

3.联合控制

同步与异步结合使用
• 绝大多数执行时间差不多的指令，用同步，执行时间差异大的，用异步。一般：功能部件内，同同步，功能部件间：用异步
特点：较折中

四、 影响时序系统的因素

1. 指令系统

指令种类直接影响着控制方式的确定，各类指令需时间差不多可采用同步控制，需时差异大，需采用异步控制，同步控制与中央时钟同步，故时序系统简单。异步控制要有自己的时钟，故较复杂。

2. 指令格式及寻址方式

指令格式：单地址：访内一次（执行时）双地址：访内三次
寻址方式：直接、间接、变址等，访内次数不同，执行时间不等。

例

某计算机字长16位，采用16位定长指令字结构，部分数据通路结构如图所示。图中所有控制信号为1时表示有效、为0时表示无效。例如控制信号MDRinE为1表示允许数据从DB打入MDR，MDRin为1表示允许数据从内总线打入MDR。假设MAR的输出一直处于使能状态。加法指令“ADD（R1），R0”的功能为（R0）+（（R1））→（R1），即将R0中的数据与R1的内容所指主存单元的数据相加，并将结果送入R1的内容所指主存单元中保存。

下表给出了上述指令取值和译码阶段每个节拍（时钟周期）的功能和有效控制信号，请按表中描述方式用表格列出指令执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。