组成原理(十四)：中央处理器之 时序系统与控制方式

　　时序控制系统是控制器的心脏，功能是为指令的执行提供各种定时信号。

1、时序系统

1.1、指令周期和机器周期

　　指令周期是从取指令，分析取数到执行完该指令所需的全部时间。

　　机器周期又称CPU周期，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本操作。

　　机器周期有取指周期、取数周期、执行周期和中断周期。

　　一般情况，一条指令所需的最短时间为两个机器周期：取指周期和执行周期。

　　每个机器周期都有一个对应的周期状态触发器，机器运行在不同的机器周期时，对应的周期状态触

　　发器被置"1"，在机器运行的任何时刻只能处于一种周期状态。

1.2、节拍

　　在一个机器周期内，完成若干个微操作，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，称为节拍电位信号。

　　节拍的宽度取决于CPU完成一次微操作的时间

2、控制方式

　　CPU的控制方式可分为3种：同步控制方式、异步控制方式、联合控制方式。

　　同步控制方式，固定时序控制方式，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和工作脉冲。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，又称为集中控制方式或中央控制方式。

　　异步控制方式，可变时序控制方式，各项操作不采用统一的时序信号控制，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。这种控制方式没有统一的时钟，由各功能部件本身产生各自的时序信号自我控制，又为分散控制方式或局部控制方式。

　　联合控制方式，同步控制和异步控制相结合的方式。

3、指令运行的基本过程

　　一条指令运行过程分为3个阶段：取指令阶段、分析区属阶段和执行阶段。

3.1、取指令阶段

　　取指令阶段将现行指令从主存中取出来并送至指令寄存器中。

　　任何一条指令必须要执行的过程，取指阶段任务的事件称为取指周期。取值周期中CPU各部分的工作流程如下：

   

操作过程如下：

　　1、将程序计数器(PC)中的内容送至存储器地址寄存器(MAR)，并送地址总线(AB)；

　　2、由控制单元(CU)经控制总线(CB)向存储器发读命令；

　　3、从主存中取出指令通过数据总线(DB)送到存储器数据寄存器(MDR)；

　　4、将MDR的内容送至指令寄存器(IR)中；

　　5、将PC的内容递增，为取下一条指令做好准备。

3.2、分析取数阶段

　　取出指令后，指令译码器(ID)可识别和区分出不同的指令类型。计算机进入分析取数阶段，获取操作数。

　　无操作数的指令，需识别出是哪条具体的指令即可直接转至执行阶段，无须进入分析取数阶段。

　　带操作数指令，为读取操作数，先计算出操作数的有效地址。

　　完成分析取数阶段任务的时间可细分为间址周期、取数周期。

3.3、执行阶段

　　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时间称为执行周期。

　　计算机的基本过程是取指令、取数、执行指令，再取下一条指令，直至遇到停机指令或外来的干预为止。

4、控制单元设计

　　控制单元的主要功能是根据需要发出各种不用的微操作控制信号，未操作控制信号是与CPU的数据通路密切相关的。

如下单累加器结构的简单CPU模型：

　　

　　MAR和MDR分别直接与地址总线和数据总线相连，CPU的指令系统包含下列指令：

4.1、非访存指令

非访存指令在执行周期不访问存储器，有如下指令：

　　清除累加器指令 CLA

　　累加器取反指令 COM

　　累加器加1指令 INC

　　算术右移一位指令 SHR

　　循环左移一位指令 CSL

　　停机指令 STP

4.2、访存指令

　　访存指令在执行周期需访问主存储器：

　　加法指令 ADD，完成累加器内容与对应主存单元的内容相加，结果送累加器的操作。

　　减法指令 SUB，累加器与对应主存单元的内容相减。

　　与指令 AND，完成累加器与对应主存单元的内容相与。

　　取数指令 LDA，将对应主存单元的内容取至累加器中。

　　存数指令 STA，将累加器的内容那个存于对应主存单元中。

4.3、转移指令

　　无条件转移指令JMP

　　零转移指令JZ

　　负转移指令JN

　　进位转移指令JC