计算机组成原理（4）-中央处理器CPU-时序信号

时序产生器和控制方式

时序信号：一个用来确定时段执行哪些微操作的标志。就好比我们每天按时吃饭按时上学的时间的规定。

1.组成计算机硬件的器件特性决定了时序信号最基本的体制是电位-脉冲制。

2.取指周期和执行周期发生了什么？

从时间上来说，取指令事件发生在指令周期的第一CPU周期中，即发生在“取指令”阶段，而取数据事件发生在“执行指令”阶段。

从空间上来说，如果取出的代码是指令，那么一定送往指令指令寄存器，如果取出的代码是数据，那么一定送往运算器。

3.在一个CPU周期中，又把时间分为若干个小段。

4.操作控制器发出的各种控制信号都是时间因素（时序信号）和空间因素（部件因素）的函数。

例子：当实现寄存器之间的数据传送时，数据加在触发器的电位输入端，而打入数据的控制信号加在触发器的时钟输入端。电位的高低，表示数据是1还是0，而且要求打入数据的控制信号到来之前，电位信号必须已稳定。这是因为，只有电位信号先建立，打入到寄存器中的数据才是可靠的。当然，计算机中有些部件，如算术逻辑运算单元ALU只用电位信号工作就可以了。但是尽管如此，运算结果如此，运算结果还是要送入通用寄存器，所以最终还是需要脉冲信号来配合。

5.在硬布线控制器中，时序信号往往采用主状态周期-节拍电位-节拍脉冲三级体制。

5-1一个节拍电位表示一个CPU周期的时间，它表示了一个较大的时间单位；

5-2在一个节拍电位中又包含若干个节拍脉冲，以表示较小的时间单位；

5-3主状态周期可包含若干个节拍电位，所以它是最大的时间单位。

6.在微程序控制器中，时序信号比较简单，一般采用节拍电位-节拍脉冲二级体制。

它只有一个节拍，在节拍电位又包含若干个节拍脉冲（T周期），节拍电位表示一个CPU周期的时间，而节拍脉冲把一个CPU周期划分成几个较小的时间间隔。

时序信号产生器

组成部分：

（1）时钟源

时钟源的组成部分：石英晶体振荡器和与非门组成的正反馈振荡电路

用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电位匹配的方波时钟脉冲信号。

（2）环形脉冲发生器

产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列，以便通过译码电路来产生最后所需的节拍脉冲。

（3）节拍脉冲和存储器读/写时序

在一个CPU周期中产生四个等间隔的节拍脉冲。

存储器读/写时序信号用来进行存储器的读/写操作。

（4）启停控制逻辑

1.对读/写时序信号也需要由启停逻辑加以控制。

2.启停控制逻辑的核心是一个运行标志触发器。

3.由于启动计算机是随机的，停机也是随机的。当计算机启动时，一定要从第一个节拍脉冲前沿开始工作，而在停机时一定要在第4个节拍脉冲结束后关闭时序产生器。

控制方式

含义：控制不同操作序列信号的方法

1.同步控制方式

含义：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是固定不变的。

同步控制方式可选方案：

（1）采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令。

具有相同的节拍电位数和相同的节拍脉冲数。（对简单指令和简单操作造成浪费）

（2）采用不定长机器周期。

大多数操作在较短机器的周期完成，对一些时间紧张的操作，采取延长机器周期。

（3）中央控制与局部控制结合。

中央控制：将大部分指令安排在固定的机器周期完成。

局部控制：对少数复杂指令（乘、除、浮点运算）采用那个另外的时序进行定时。

2.异步控制方式

特点：每条指令、每个操作控制信号需要多少时间就占用多少时间。没有固定的CPU周期数（节拍电位）或严格的时钟周期（节拍脉冲）与之同步。

3.联合控制方式

含义：同步控制方式和异步控制方式结合。

两种情况：

（1）大部分操作序列安排在固定的机器周期中，对某些时间难以确定的操作则以执行部件的“回答”信号作为本次操作的结束。

（2）机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的机器周期数不固定。