中央处理器-第三节 时序产生器和控制方式

一、时序信号的作用

  计算机一旦被启动，CPU就开始进入取指令并执行指令的重复循环，操作控制器就利用定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔，有条理、有节奏地指挥机器的动作，规定在这个脉冲到来时做什么，在那个脉冲到来时又做什么，给计算机各部分提供工作所需的时间标志。为此，需要采用多级时序体制。

  用二进制码表示的指令和数据都放在内存里，CPU是通过一定的时空关系来识别和区分它们的：

  从时间上来说，取指令事件发生在指令周期的第一个CPU周期中，即发生在“取指令”阶段，而取数据事件发生在指令周期的后面几个CPU周期中，即发生在“执行指令”阶段。

  从空间上来说，如果取出的代码是指令，那么一定送往指令寄存器，如果取出的代码是数据，那么一定送往运算器。由此可见，时间控制对计算机来说是太重要了。

  从上述分析可见，计算机的协调动作需要时间标志，而时间标志则是用时序信号来体现的。时序信号一方面给出控制信号发出时刻，另一方面给出控制信号维持时间。

  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。

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。

二、时序信号产生器

  时序信号产生器的功能就是用逻辑电路产生计算机运行期间所需要的时序。

  时序信号产生器的复杂程序一方面与计算机的复杂程序有关，另一方面与控制器的实现方式有关。硬布线控制器的时序发生器比微程序控制器的时序发生器要复杂。

  微程序控制器中使用的时序信号产生器由时钟源、环形脉 冲发生器、节拍脉冲和读写时序译码逻辑、启停控制逻辑等部分组成。

1.时钟源

  时钟源用来为环形脉冲发生器提供频率稳定且电平匹配的方波时钟脉冲信号。它通常由石英晶体振荡器(晶振)和与非门组成的正反馈振荡电路组成，其输出送至环形脉冲发生器。

2.环形脉冲发生器与时序信号译码

环形脉冲发生器的作用是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。为了在节拍脉冲上不带干扰毛刺，环形脉冲发生器通常采用循环移位寄存器形式。

3、节拍脉冲和读/写时序的译码

  通过环形脉冲发生器产生的输出(C1、C2、C3)经过译码组合后，形成具有先后关系的四个等间隔的节拍脉冲(T1、T2、T3、T4)。

  读/写控制信号与环形脉冲发生器产生的输出译码组合产生读/写时序。 

4、启停控制逻辑

  通过启停控制逻辑禁止和允许时序产生器向CPU发出工作所需的节拍脉冲和读/写时序。

三、控制方式

  控制不同操作序列时序信号的方法，称为控制器的控制方式。控制器常用的控制方式有同步控制、异步控制、联合控制三种方式，其实质反映了时序信号的定时方式。

1.同步控制方式

  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固定不变。

  根据不同情况，同步控制方式可选取如下方案：

(1)采用完全统一的机器周期执行各种不同的指令(定长指令周期)。

(2)采用不定长机器周期。

(3)中央控制与局部控制结合。

2.异步控制方式

  异步控制方式的特点是：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。这意味着每条指令的指令周期可由多少不等的机器周期数组成；也可以是当控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操作后发“回答”信号，再开始新的操作。

  显然，用这种方式形成的操作控制序列没有固定的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

此为同步控制和异步控制相结合的方式。

   对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；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。