计算机组成原理第五章（中央处理器CPU）

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• 指令周期（取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间）
• 机器周期通常又称CPU周期
  • 通常把一条指令周期分成若干个机器周期，每个机器周期完成一个基本操作
  • 以主存的工作周期（存取周期）为基础来规定CPU周期，比如，可以用CPU读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期
  • 不同的指令，可能包含不同数目的机器周期
  • 一个机器周期中，包含若干个T周期（节拍脉冲或T脉冲）
  • 不同的指令，CPU周期规定不同
• 时钟周期
  • 在一个机器周期内，要完成若干个微操作。这些微操作有的可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。因而需要把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段称为一个节拍。节拍常用具有一定宽度的电位信号表示，称之为节拍电位
  • 节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作的时间，如：ALU完成一次正确的运算，寄存器间的一次数据传送等
• 指令周期（由若干个CPU周期构成，CPU周期由若干个T周期构成）
• MOV指令的指令周期

 

• LAD指令的指令周期：

• ADD指令的指令周期：

• STO指令的指令周期：

• JMP指令的指令周期：

• • 取值周期
  • 执行周期

5.2总结：

1. 一条指令包括一个取指令周期和一个执行指令周期

2. 在每个CPU周期中数据通路是明确的

3. 数据通路的建立及操作收到操作控制器的控制，当然决定于是什么指令

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时序产生器和控制方式

1. 时序信号的作用和体制

• 时序信号：CPU规定脉冲，有节奏的及其工作，提供的时间标志。（需要采用多级时序体制）
• 时序信号是协调各工件工作的同步信号，时间按标志是用时序信号来体现的。
• 时序信号的基本体制：电位——脉冲体制

2. 时序信号产生器

• 硬布线控制器：采用主状态周期——节拍电位——节拍脉冲三级体制
• 微程序控制器：采用节拍电位——节拍脉冲二级体制
  • 利用微程序顺序执行来实现为操作
  • 时序信号产生电路简单
  • 一个节拍电位包含若干个节拍脉冲，及时钟周期。节拍电位表示一个CPU周期的时间，而节拍脉冲把一个CPU周期划分为若干个较小的事假时间间隔。这些时间间隔可以相等，也可以不等。
• 时序信号产生器功能：产生时序信号
• 时序信号产生器构成：1. 时钟源 2. 环形脉冲发生器 3. 节拍脉冲和读写时序控制逻辑 4. 启停控制逻辑
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• 时钟脉冲φ的宽度等于节拍脉冲T的宽度
• 4个节拍脉冲（T周期）构成一个机器周期（CPU周期）
• 启停控制逻辑：启动、停止是随机的。
• 当运行触发器为“1”时，打开时序电路。（计算机启动时，一定要从第一个节拍脉冲前沿开始工作）
• 当运行触发器为“0”时，关闭时序产生器。（停机时一定要第四个节拍脉冲结束后关闭时序产生器）

3. 时序控制方式

• 时序控制方式
  
  • 同步控制方式
    • 完全统一的机器周期执行不同的指令
    • 采用不定长机器周期
    • 中央控制及与局部控制的结合
  • 异步控制方式
    • 每条指令需要多少时间就占用多少时间
  • 联合控制方式
    • 大部分指令在固定的周期内完成，少数难以确定的指令采用异步控制方式
    • 机器周期的 节拍脉冲固定，但是各指令的机器周期数不固定（微程序控制器的采用）

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微程序控制器的

1. 微程序控制器原理

• 微程序设计技术是用软件方法来设计硬件的技术。
• 微命令和微操作
  • 一条机器指令是由一个微程序来实现的
  • 控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫做微命令，它是构成控制部件的最小单位
  • 微操作：是微命令的操作过程
  • 由于数据通路的结构关系，微操作可分为相容的和互斥的两种
    • 互斥的微操作：是指不能同时或不能在同一个节拍中并行执行的微操作
    • 相容的微操作：是指能够同时或者在同一个节拍内并行执行的微操作。必须各占一位。
  • 微指令：把在同一个CPU周期内并行执行的微操作控制信息，存储在控制存储器里，称为一条微指令
    
    • 它是微命令的组合，微指令存储在控制器中的控制存储器中
    • 一条微指令通常至少包含两大部分信息：
      • 操作控制字段，又称微操作码字段，用以产生某一步操作所需的各个微操作控制信号
        • 某位为1.表明发微命令
        • 微指令发出的控制信号都是节拍的电位信号，持续时间为一个CPU周期
        • 微命令信号还要引入时间控制
      • 顺序控制字段，又称微地址码字段，用以控制产生下一条要执行的微指令地址
  • 微程序
    • 一切微指令的有序集合就是微程序
      • 一段微程序对应一条机器指令
      • 微地址：存放微指令的控制存储器的单元地址