中央處理器(中)

5.3.1時序信號的作用和體制功能：控制操作時間和操作時刻。

時序信號是CPU的時間標(biāo)志。計算機(jī)就是按照時序信號準(zhǔn)確、迅速、有條不紊指揮各個部件協(xié)同工作。

當(dāng)實現(xiàn)寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送時，數(shù)據(jù)加在觸發(fā)器的電位輸入端，而打入數(shù)據(jù)的控制信號加在觸發(fā)器的時鐘輸入端。基本體制：電位-脈沖制。

所有的操作都按節(jié)拍進(jìn)行，持續(xù)時間為一個節(jié)拍的稱為節(jié)拍電位。在節(jié)拍電位有效期間產(chǎn)生的脈沖稱為節(jié)拍脈沖。一個節(jié)拍電位中可產(chǎn)生多個節(jié)拍脈沖。5.3時序產(chǎn)生器和控制方式m1節(jié)拍電位節(jié)拍脈沖m2圖5-3-1節(jié)拍信息硬布線控制器：主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖三級體制微程序控制器：節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖二級體制5.3.1時序信號的作用和體制振蕩器分頻器時鐘脈沖工作脈沖時鐘周期(節(jié)拍)產(chǎn)生電位型微命令，控制操作時間段產(chǎn)生脈沖型微命令，控制定時操作5.3.1時序信號的作用和體制修改PC控制分步操作時間取出指令●

時序關(guān)系：晶振輸出工作周期1工作周期2工作周期3時鐘T1工作脈沖P時鐘T2指令周期控制不同階段操作時間對微操作定時取指執(zhí)行取數(shù)打入IR打入PC5.3.2時序信號產(chǎn)生器

時序信號產(chǎn)生器一般由時鐘源、環(huán)行脈沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖和讀寫時序譯碼邏輯、啟停控制邏輯等組成。啟停控制邏輯節(jié)拍脈沖和讀寫時序譯碼邏輯環(huán)行脈沖發(fā)生器時鐘脈沖源MREQ′IORQ′RD′WE′IORQ°MERQ°RD°WE°T1°T2°T3°T4°啟動停機(jī)IORQMERQRDWET1T2T3T4φ1、時鐘源（主時鐘）

通常由石英晶體震蕩器和與非門組成的正反饋振蕩電路組成。作用：提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時鐘脈沖信號，為整個機(jī)器提供基準(zhǔn)信號。

時鐘源在機(jī)器上電后立即開始產(chǎn)生具有一定占空比的時鐘脈沖序列，直到關(guān)電源為止，中間不允許有任何間斷。2、環(huán)形脈沖發(fā)生器（節(jié)拍信號發(fā)生器）

產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，以便通過譯碼電路產(chǎn)生最后所需要的節(jié)拍脈沖。5.3.2時序信號產(chǎn)生器3、節(jié)拍脈沖和讀寫時序譯碼邏輯

根據(jù)環(huán)形脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖，通過與門和與非門電路產(chǎn)生節(jié)拍。同時和微程序控制器中產(chǎn)生的讀/寫/對內(nèi)存/對I/O設(shè)備等微操作信號融合，實現(xiàn)對內(nèi)存和外設(shè)的讀寫操作。注：時序信號還不是微操作信號，而只是協(xié)調(diào)各部件工作的同步信號。4、啟?？刂七壿?/p>

根據(jù)計算機(jī)的需要，可靠地開放和封鎖脈沖，控制時序信號的發(fā)生和停止，實現(xiàn)對整個機(jī)器的正確啟動與停止。必須保證啟動時輸出的第一個脈沖和停止時輸出的最后一個脈沖都是完整的脈沖。5.3.2時序信號產(chǎn)生器功能表RSCPDQQ01××0110××101100111110維持阻塞D型觸發(fā)器DCPQQSR邏輯圖S為置1端R為置0端5.3.2時序信號產(chǎn)生器5.3.2時序信號產(chǎn)生器5.3.2時序信號產(chǎn)生器控制方式:控制不同操作序列的時序信號的方法。

已定指令在執(zhí)行時所需的機(jī)器周期和時鐘周期數(shù)都是固定不變的。（1）采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令；一刀切（2）采用不定長機(jī)器周期；（3）中央控制與局部控制相結(jié)合。1.同步控制方式(固定時序控制方式)特點：

有明顯時序劃分，時鐘周期固定，各步操作的銜接、各部件之間的數(shù)據(jù)傳送受嚴(yán)格同步定時控制。5.3.3控制器的控制方式

時序關(guān)系簡單，時序劃分規(guī)整，控制不復(fù)雜；控制邏輯易于集中，容易實現(xiàn)，便于管理。應(yīng)用場合：

用于CPU和設(shè)備內(nèi)部、系統(tǒng)總線操作(各掛接部件速度相近，傳送時間確定，傳送距離較近)。優(yōu)點：缺點：

時間安排不合理，會造成簡單指令較多的空閑時間，影響指令執(zhí)行速度，不利于發(fā)揮計算機(jī)高速運(yùn)算的潛力。1.同步控制方式(固定時序控制方式)發(fā)/接接/發(fā)主從總線例:異步傳送操作●主設(shè)備（控制部件）：申請并掌握總線權(quán)的設(shè)備。●從設(shè)備（執(zhí)行部件）：響應(yīng)主設(shè)備請求的設(shè)備。2.異步控制方式（可變時序控制方式）各項操作按需安排時間，不受統(tǒng)一時序控制。特點：每條指令的指令周期包括的機(jī)器周期數(shù)不同，各操作間的銜接和各部件之間的信息交換采用異步應(yīng)答方式。2.異步控制方式（可變時序控制方式）

優(yōu)點：

時間安排緊湊、合理、效率高；缺點：

控制復(fù)雜，不容易實現(xiàn)。應(yīng)用場合：

用于異步總線操作(各掛接部件速度差異大，傳送時間不確定，傳送距離較遠(yuǎn))。3.聯(lián)合控制方式

特點：

同步方式引入異步應(yīng)答。

大部分操作安排在固定的機(jī)器周期中，對某些時間難以確定的操作則以執(zhí)行部件的“回答”信號作為本次操作的結(jié)束。優(yōu)點：

不浪費(fèi)很多時間，控制上又不很復(fù)雜。

由英國CambridgeUniversity的M.V.Wilkes教授于1951年在文章“TheBestWaytoDesignanAutomaticCalculateMachine”中首次提出來的，這個模型稱為Wilkes模型。Wilkes模型不但給出了現(xiàn)在使用的微程序使用的微程序控制器的基本概念，而且它們的工作原理相同，結(jié)構(gòu)也基本一致。5.4微程序控制器微程序設(shè)計技術(shù)

仿照通常的解題程序的方法，把操作控制信號編成所謂的“微指令”，存放到一個只讀存儲器里。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時，一條又一條地讀出這些微指令，從而產(chǎn)生全機(jī)所需要的各種操作控制信號，使相應(yīng)部件執(zhí)行所規(guī)定的操作。微程序控制器的基本思想利用軟件方法來設(shè)計硬件的一門技術(shù)。5.4微程序控制器5.4.1微程序控制器的原理微程序控制器的基本思想引入了程序技術(shù)，使設(shè)計規(guī)整；1.若干微命令編制成一條微指令，控制實現(xiàn)一步操作；2.若干微指令組成一段微程序，解釋執(zhí)行一條機(jī)器指令；3.微程序事先存放在控制存儲器CM(ControlMemory)中，執(zhí)行機(jī)器指令時再取出。引入了存儲邏輯，使功能易于擴(kuò)展。1微命令和微操作微命令：微命令是微操作的控制信號，而微操作是微命令的操作內(nèi)容。

一條指令的功能是通過執(zhí)行一系列操作控制步驟完成的；這些控制步驟中的基本操作稱為微操作。

微指令：在一個CPU周期中，一組實現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合。也將微指令稱作控制字（CW），其中每一位代表一個微命令。

微程序：完成指定任務(wù)的微指令序列稱為微程序。一條機(jī)器指令的功能可由一段微程序解釋完成。機(jī)器指令-微程序-微指令-微命令微指令：在機(jī)器的一個CPU周期中，一組實現(xiàn)一定操作功能的微命令的組合，是CM中的一個單元的內(nèi)容，即控制字。2微指令和微程序注：微指令給出的控制信號都是節(jié)拍電位信號，它們的持續(xù)時間為一個CPU周期，有時根據(jù)實際電路需要，還要對某些微命令信號加入時間控制。一條微指令由操作控制和順序控制兩大部分組成。（1）操作控制部分又稱“微操作碼字段”，用來發(fā)出管理和指揮全機(jī)工作的控制信號，其中每一位都表示一個微命令。（2）順序控制部分又稱“微地址碼字段”，用來決定產(chǎn)生下一條微指令的地址；3微程序控制器的原理圖1.主要部件（1）控制存儲器CM功能：存放微程序。CM屬于CPU，不屬于主存儲器。(2)微指令寄存器μIR功能：存放現(xiàn)行微指令。微命令字段：提供一步操作所需的微命令。微地址字段：指明后續(xù)微地址的形成方式。提供微地址的給定部分。(微操作控制字段)(順序控制字段)(3)微地址形成電路功能：提供兩類微地址。微程序入口地址：由機(jī)器指令操作碼形成。后續(xù)微地址：由微地址字段、現(xiàn)行微地址、運(yùn)行狀態(tài)等形成。2.工作過程（1）取機(jī)器指令CM取指微指令μIR微命令字段譯碼器微命令主存機(jī)器指令I(lǐng)R（2）轉(zhuǎn)微程序入口IR操作碼微地址形成電路入口μAR微命令字段CM首條微指令（3）執(zhí)行首條微指令μIRμIR譯碼器微命令操作部件（4）取后續(xù)微指令微地址字段現(xiàn)行微地址運(yùn)行狀態(tài)微地址形成電路后續(xù)微地址μARCM后續(xù)微指令μIR(5)執(zhí)行后續(xù)微指令同（3）(6)返回微程序執(zhí)行完，返回CM(存放取指微指令的固定單元)。

以“十進(jìn)制加法”指令為例來理解微程序控制的過程；從一個簡單的控制模型中，得出微程序控制的主要思想及大概過程。4微程序舉例1R1輸入2R2輸入3R3輸入4R1送X5R3送Y6R2送X7R2送Y8DR送X9R1送Y10加11減12傳送寄存器的輸入脈沖四路數(shù)據(jù)選擇器的選擇端運(yùn)算控制端順序控制字段的P1，P2設(shè)順序控制字段的P1，P2的作用：為00表示下一條微指令的地址為當(dāng)前微指令的順序控制字段的后四位為10表示P1譯碼測試，以當(dāng)前指令寄存器中的指令的操作碼OP取下一條微指令的地址為01表示P2測試，測試條件為進(jìn)位標(biāo)志Cy，以Cy來修改微地址寄存器的最后一位。第一條微指令第二條微指令01010010010000000001001010001001

100000000100000100010010010000000000000000000000011111100000第三條微指令第四條微指令PC->AR->ABUSDBUS->DR->IR,PC+1P1P2R1+R2->R2R2+R3->R2R2-R3->R2Cy=10000101010010001Cy=0總結(jié)：微程序控制器的工作過程實質(zhì)就是：在微程序控制器的控制下，計算機(jī)執(zhí)行機(jī)器指令的過程。具體可分為：（1）執(zhí)行取指令的公操作

機(jī)器開始運(yùn)行時，自動地將取指微程序的入口微地址送入AR，并從CM中讀出微指令，送往IR，當(dāng)取指微程序執(zhí)行完以后，從主存中取出的機(jī)器指令就已經(jīng)存入IR中了。（2）由機(jī)器指令的操作碼字段OP通過“地址轉(zhuǎn)移邏輯”產(chǎn)生出該機(jī)器指令所對應(yīng)的微程序的入口微地址，并送入AR。（3）從CM中逐條取出相應(yīng)的微指令并執(zhí)行之。（4）執(zhí)行完對應(yīng)于一條機(jī)器指令的一段微程序之后，又回到取指微程序的入口地址，繼續(xù)第（1）步，以完成取下一條機(jī)器指令的公操作。5CPU周期與微指令周期的關(guān)系一條微指令的保持時間就是一個CPU周期的時間,但是起始位置有區(qū)別用統(tǒng)一微指令周期控制各條微指令執(zhí)行

P微指令周期

微指令打入μIR控制數(shù)據(jù)通路操作結(jié)果打入目的地，讀取后續(xù)微指令后續(xù)微地址打入μARCPU周期6機(jī)器指令與微指令的關(guān)系（1）一條機(jī)器指令對應(yīng)一個微程序，此微程序是由若干條微指令序列組成的。（2）指令、程序、地址對應(yīng)于內(nèi)存儲器；微指令、微程序、微地址對應(yīng)于控制存儲器。（3）一個CPU周期對應(yīng)于一個微指令周期。方框圖就是微程序流程圖。微程序——解釋一條機(jī)器指令的微指令的集合。微操作、微命令、微指令、微程序、機(jī)器指令6機(jī)器指令與微指令的關(guān)系5.4.2微程序設(shè)計技術(shù)微程序的關(guān)鍵：如何確定微指令的結(jié)構(gòu)。（1）有利于縮短微指令字長度；（2）有利于減小控制存儲器的容量；（3）有利于提高微程序的執(zhí)行速度；（4）有利于對微指令的修改；（5）有利于微程序設(shè)計的靈活性；設(shè)計微指令結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)追求的目標(biāo)是：微程序設(shè)計：設(shè)計與各條機(jī)器指令相對應(yīng)的微程序的過程。1.微命令的編碼方法（1）直接表示法例.某微指令微命令按位給出。不需譯碼，產(chǎn)生微命令的速度快；信息的表示效率低。C0RW111C0=0進(jìn)位初值為01進(jìn)位初值為1R=0不讀1讀0不寫1寫W=微指令中通常只有個別位采用直接控制法。（2）分段直接編碼法例.對加法器輸入端進(jìn)行控制。微命令由多個字段編碼直接給出。000不發(fā)命令某微指令中設(shè)置了AI字段，控制加法器的輸入選擇。

加法器ABR、CD、ER、CD、FAI3010CA100FB…001RA010CA011DB011DB？微命令分組原則：同類操作中互斥的微命令放同一字段。不能同時出現(xiàn)CD相容性微命令：在同一個CPU周期中，可以同時執(zhí)行的微操作命令。相斥性微命令：在同一個CPU周期中，不能同時執(zhí)行的微操作操作。相斥相斥相斥微操作分類：操作唯一；加法器A輸入端的控制命令放AI字段，B輸入端的控制命令放BI字段。

加法器ABR、CD、ER、CD、F000不發(fā)命令010CA100EA001RA011DACDAIBI33010CA000不發(fā)命令010CB100FB001RB011DB011DBAI：BI：

一條微指令能同時提供若干微命令，便于組織各種操作。

編碼較簡單；1.微命令的編碼方法（3）混合表示法直接表示法用每一位表示一個微命令，表示的能力有限，使用方便編碼表示法用多個字段表示不同操作，可以控制相容和相斥微操作，可以表示很多微命令，但是每個字段都需要譯碼才能得到相應(yīng)的微操作，實現(xiàn)效率低所以，混合表示法就是在一個微指令的操作控制字段混合使用編碼法和直接表示法，一部分直接表示，一部分編碼表示。2微地址形成方式（1）增量方式（計數(shù)器方式）以順序執(zhí)行為主，輔以各種常規(guī)轉(zhuǎn)移方式。順序：現(xiàn)行微地址+1。跳步：現(xiàn)行微地址+2。無條件轉(zhuǎn)移：現(xiàn)行微指令給出轉(zhuǎn)移微地址。