pc解读12：时序控制与晶振以及指令周期的关系

cpu指令的解析就是按一定的时序发出控制信号，事实上所有总线上的电子设备都是在设计好的时序下进行工作，这就要求计算机中有稳定的高精度的时钟信号源。早在IBM-PC机中，就用晶振来提供稳定的时钟脉冲，时间脉冲又提供给RTC元件来计算时间，即使在pc机断电的情况下也可以用纽扣电池来驱动供电，以使得系统时间得以保存。

倍频技术与主频
后来随着cpu的速度越来越高，超过了晶振的最高频率，于是又发明了倍频技术，将晶振频率通过一些手段进行放大，将放大之后的频率提供给cpu,以支持cpu的快速时序要求。系统可以使用一个晶振元件经过不同的器件放大或者缩小到不同的工作频率上以提供给pc机上不同的电子设备。

提供给cpu的时钟脉冲频率成为cpu的主频。cpu连续收到两个两个时间脉冲之间的间隔称为一个时钟周期，时钟周期是计算机中最小的时间单位，在一个时钟周期内，cpu仅完成一个最基本的动作。

时序控制
我们分析取值过程的时序时，发现一个最简单的取值过程，就有好多时序工作需要排队，如先要控制pc中的值传输到MAR, 然后再将MAR中的数据送往地址线，然后再将读信号发到总线上，然后再从总线上读取数据到MDR，再从MDR传到IR，这些控制必须是先后在时序控制下完成，每一步必须占用一个时间周期，而这些仅仅是指令执行过程的初始部分。

指令周期
在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。可见1个机器周期有若干时钟周期组成。同时，一个访存储器或I/O端口操作所用的时间，称为总线周期。

CPU每取出一条指令并执行这条指令，都要完成一系列的操作，这一系列操作所需要的时间通常叫做一个指令周期。换言之指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间。由于各条指令的操作功能不同，因此各种指令的指令周期是不尽相同的。例如一条加法指令的指令周期同一条乘法指令的指令周期是不相同的。 指令周期常常用若干个机器周期数来表示，机器周期也称CPU周期。指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。通常含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令。

晶振时钟源
晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率晶振经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。

晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。

晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。

由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石英晶体的机电效应，我们可以把它等效为一个电磁振荡回路，即谐振回路。他们的机电效应是机-电-机-电的不断转换，由电感和电容组成的谐振回路是电场-磁场的不断转换。在电路中的应用实际上是把它当作一个高Q值的电磁谐振回路。由于石英晶体的损耗非常小，即Q值非常高，做振荡器用时，可以产生非常稳定的振荡，作滤波器用，可以获得非常稳定和陡削的带通或带阻曲线。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。