计算机组成原理--中央处理器CPU3.ppt

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1、二、时序发生器1.时序信号的作用和体制(1)什么是时序信号？(2)时序信号有什么作用？为了说明时序信号的作用，看下面一个生活中的例子。12为了当堂理解时序信号的作用，画出 1#-6#-1#的时序图 3#-6#-5#-4#的时序图3计算机时序信号最基本的体制是电位-脉冲制；电位表示一个较大的时间单位，而脉冲表示较小的时间单位；两者都是必须的()。如下图：42.时序信号发生器控制器的时序体制有：三级时序体制(CPU周期、节拍电位、节拍脉冲)；二级时序体制(节拍电位、节拍脉冲)；时序图见下页。201105045设指令周期包括3个CPU周期，每个CPU周期包括4个节拍电位，每个节拍电位包含1个脉冲。6

2、1)时钟脉冲源功能：提供频率稳定、电平匹配的方波时钟脉冲信号。一般由石英晶体震荡器和与非门组成的正反馈震荡电路组成；其输出作为环形脉冲发生器的输入,产生基准脉冲信号。72)节拍电位发生器(环形脉冲发生器)功能：产生一组有序的间隔相等或不等的脉冲序列。如下图：8在图中，T1,T2,T3,T4是原始节拍电位，它们是构成其它电位的基础，用逻辑表达式表示它们的产生(可以看着电路图写出)：T1=？,T2=？,T3=？,T4=？；在实际应用中，一般要加上启停控制，这样就得到了T1,T2,T3,T4，其波形与T1,T2,T3,T4一样。9如果要求每个节拍电位有1个节拍脉冲，如下图的波形，则从可以得到：P1=

3、?P2=?P3=?P4=?103)CPU周期信号发生器为了轮流产生各个CPU周期，可以用D触发器构成数字电路产生，如图是产生3个CPU周期的电路时序关系图如下114)启停控制逻辑为了使停机时，不至于指令只执行到一半(如正处于取指周期、取数周期、执行周期)，设计启动/停止控制逻辑电路如下(结合前面的图看其原理)：12时序发生器总结：控制部件与执行部件的一种联系，就是通过控制线。控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令叫做微命令。而每条指令的执行，需要多个微命令来实现，如何保证这些微命令的先后顺序，则需要时序发生器产生的时序信号来指挥。在这里，我们结合 ADD 130的指令

4、例子来了解时序发生器的作用。13ADD 130的指令周期为完成三个CPU周期的状态转换，采用三个D触发器构成CPU周期信号发生器；14ADD指令的微操作信号(部分)有如下：15将时序列部件和操作控制器的部分内容也列出。其实是框图右上角的内容。其时序图见下页。16下面看在取指令周期的各个微操作的配合情况,先看直观的演示，再看微观过程。1718单步运行19根据时序图，可以写出逻辑表达式(不完全的控制信号)：根据逻辑表达式画出控制器的部分电路(简单)：205.2.3控制器基本控制方式如何形成控制不同微操作序列的时序控制信号的方法，称为控制器的控制方式。控制方式通常分为同步控制方式、异步控制方式、同异

5、步联合控制方式三类。即何时发出1-EXE、1-DF、1-IF信号以及其它微操作信号；21一、同步控制方式1、含义：又称为固定时序控制方式或无应答控制方式。任何指令的执行或指令中每个微操作的执行都受事先安排好的时序信号的控制。，即当某个时序信号到时，应该发出什么微信号，都是事先约定好的。2、每个周期状态中产生统一数目的节拍电位及时标工作脉冲。3、以最复杂指令的实现需要为基准。4、优点：设计简单，操作控制容易实现。缺点：效率低。5、该控制方式又有几种方案：221)定长指令周期 所有指令都含相同的CPU周期数，每个CPU周期含相同的节拍电位。特点是时序发生器简单，但执行简单指令时浪费时间。232)不

6、定长指令周期、定长CPU周期即指令周期不固定，而所包含的每个CPU周期都相等，且等于主存的存储周期，主要是因为CPU访问主存频繁24二、异步控制方式1、含义：可变时序控制方式或应答控制方式。执行一条指令需要多少节拍，不作统一的规定，而是根据每条指令的具体情况而定，需要多少，控制器就产生多少时标信号。2、特点：每一条指令执行完毕后都必须向控制时序部件发回一个回答信号，控制器收到回答信号后，才开始下一条指令的执行。3、优点：指令的运行效率高；缺点：控制线路比较复杂。4、异步工作方式一般采用两条定时控制线来实现。这两条线为“请求”线和“回答”线。当系统中两个部件A和B进行数据交换时，若A发出“请求”

7、信号，则必须有B的“回答”信号进行应答，这次操作才是有效的，否则无效。25三、联合控制方式 1、含义：同步控制和异步控制相结合的方式即联合控制方式，区别对待不同指令。2、一般的设计思想是，在功能部件内部采用同步式，而在功能部件之间采用异步式，并且在硬件实现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制。可以考虑两种方法实现联合控制：26方法一：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；例：CPU内部采用同步控制方式；CPU访问存储器采用异步控制方式，由CPU不断探测存储器的READY信号，同步与存储器的读写操作。方法二：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。27