考研笔记-计算机之计算机组成原理:指令系统(指令周期)

表-CU的控制方式

方式

定义

方案

实现

同步控制

所有微操作的执行均受统一基准时标的时序信号所控制

定长机器周期

采用完全统一的、具有相同时间间隔和相同数目的节拍作为机器周期

以最繁琐的微操作和最长的微操作序列为标准

不定长机器周期

每个机器周期内的节拍数不等

大多数微操作安排在一个较短的机器周期内完成，对于复杂的微操作，采用延长机器周期或增加节拍的方法解决

中央控制和局部控制相结合

大部分指令安排在统一的、较短的机器周期内完成，称为中央控制；少数操作复杂的指令中的某些操作采用局部控制方式来完成

1） 局部控制的每个节拍的宽度与中央控制的节拍宽度相同；

2） 局部控制节拍作为中央控制中机器节拍的延续，插入到中央控制的执行周期内

异步控制

不存在基准时标信号，没有固定的周期节拍和严格的时钟同步

微操作的时序由应答线路控制

联合控制

同步控制和异步控制相结合

对于各种不同指令的微操作，实行大部分统一、小部分区别对待的办法

人工控制

为了调机和软件开发的需要，在机器内部设置一些开关或按键，来达到人工控制的目的

1） 复位键；

2） 连续或单条执行转换开关；

3） 符合停机开关；

表-多级时序系统

多级时序

定义

操作

关系

时钟周期

时钟周期是控制计算机操作的最小时间单位，使用时钟信号来控制产生每一个微操作命令

每个时钟周期串行完成一个（或几个并行执行的）微操作

节拍脉冲的宽度等于时钟周期的任意倍数（可小于1，通常一个时钟脉冲的宽度即为一个节拍脉冲的宽度）

机器周期

机器周期可看作所有指令执行过程中的一个基准时间，在该基准时间内，所有指令的任意操作都能完成

每个机器周期串行完成一个（或几个并行执行的）操作

一个机器周期包含若干个时钟周期，且每个机器周期内的时钟周期数可以不等

指令周期

一个指令周期包含若干个机器周期，且每个指令周期内的机器周期数可以不等

说明：

1) 一个操作中可以包含若干个串行的微操作；

2) 机器内的各种操作可归属于两大类：对CPU内部的操作和对主存的操作；

3) 通常以访问一次主存的时间作为基准时间，即机器周期；

4) 脉冲的宽度与脉冲的周期不同，脉冲的宽度小于脉冲的周期（脉冲的宽度为脉冲的周期的一部分）；

表-指令周期

指令周期

操作

访存目的

组合逻辑中的微操作

组合逻辑中微操作的节拍安排

存储逻辑中微操作的节拍安排

取指周期

取指令、分析指令

获取指令

PC→MAR;

1→R;

M(MAR)→MDR;

MDR→IR;

Op(IR)→CU;

(PC)+1→PC;

T₀: PC→MAR,1→R;

T₁: M(MAR)→MDR,(PC)+1→PC;

T₂:MDR→IR,Op(IR)→CU;

T₀:PC→MAR,1→R;

T₁:Ad(CMDR)→CMAR;

T₂:M(MAR)→MDR,(PC)+1→PC;

T₃:Ad(CMDR)→CMAR;

T₄:MDR→IR,Op(IR)→微地址形成部件（编码器）;

T₅:   Ad(CMDR)→CMAR;（间址微程序入口地址→CMAR）

间址周期

得到有效地址

获取有效地址

Ad(IR)→MAR;

1→R;

M(MAR)→MDR;

MDR→Ad(IR);

T₀:Ad(IR)→MAR,1→R;

T₁:M(MAR)→MDR;

T₂:MDR→Ad(IR);

T₀:Ad(IR)→MAR,1→R;

T₁:Ad(CMDR)→CMAR;

T₂:M(MAR)→MDR;

T₃:Ad(CMDR)→CMAR;

T₄:MDR→Ad(IR);

T₅:   Op(IR)→微地址形成部件（编码器）→CMAR;（指令的特定执行微程序入口地址→CMAR）

执行周期

得到操作数，执行指令

获取操作数

……

T_i:   Ad(CMDR)→CMAR;（中断微程序入口地址→CMAR）

中断周期

完成中断隐指令（保存断点；寻找服务程序入口地址；关中断）

保存断点

1) 保存断点：

(SP)-1→SP;（栈向下生长）

SP→MAR;

1→W;

PC→MDR;

MDR→M(MAR);

2) 寻找服务程序入口地址：

向量地址→PC;

3) 关中断：

0→EINT;

T₀:(SP)-1→SP;

T₁:SP→MAR,1→W,PC→MDR;

T₂:MDR→M(MAR),

向量地址→PC,0→EINT;

T₀:(SP)-1→SP;

T₁:   Ad(CMDR)→CMAR;

T₂:SP→MAR,1→W,PC→MDR;

T₃:   Ad(CMDR)→CMAR;

T₄:MDR→M(MAR),向量地址→PC,0→EINT;

T₅:   Ad(CMDR)→CMAR;（取指微程序入口地址→CMAR）

说明：

1） 取指周期和执行周期是必须的，间址周期和中断周期是可选的；

2） 各个周期均可能有访存操作，因而各个周期均占一个机器周期（机器周期一般以访存周期为准）；

3） 间址周期单独作为一个周期是因为该周期需要访存，而机器周期一般以访存周期为准，该间址周期不包括寄存器间址周期（寄存器间址获取有效地址不需访存）；

4） 微操作节拍安排的3个原则：

a) 注意微操作的先后顺序；

b) 被控制对象不同的微操作，若能在一个节拍内执行，应尽可能安排在同一个节拍内；

c) 被控制对象相同，但有些微操作所占的时间不长，应将它们安排在一个节拍内完成，并允许这些微操作有先后次序（使用逻辑条件在单个节拍内控制先后次序？）；

5） 一旦微指令打入到CMDR中（即CM(CMAR)→CMDR），该微指令对应的微操作便同步执行了（即CM(CMAR)→CMDR与CMDR中控制信号的执行是同时完成的），而微操作Ad(CMDR)→CMAR只能在微指令送至CMDR（即CM(CMAR)→CMDR）这一微操作完成后的下一时钟周期完成，微指令打入到CMDR中（即CM(CMAR)→CMDR）均发生在微操作Ad(CMDR)→CMAR的下一时钟周期T的上升沿。