7.2 时序系统

时序系统是控制器的"心脏"，为指令执行提供各种定时信号。本章节介绍时序系统的基本概念、控制方式以及指令运行的基本过程。

7.2.1 基本概念

1. 三级时序周期体系

从大到小依次为：

指令周期 (Instruction Cycle)

定义：取出并执行完一条指令所需的全部时间。
特点：不同指令的功能和复杂度不同，因此指令周期长度不尽相同。
关系：指令周期由多个机器周期组成。

机器周期 (Machine Cycle)

定义：也称为CPU周期。指完成一个基本操作（如取指、存储器读写）所需的时间。
关系： $指令周期 = i \times 机器周期$ 其中 $i$ 为整数，表示一条指令需要多少个机器周期。

时钟周期 (Clock Cycle)

定义：也称为节拍或T周期。是处理器的基准时间单位，主频的倒数。
关系：是计算机中最微小的操作时间单位。
公式： $时钟周期 = \frac{1}{主频}$

时钟周期

2. 时钟周期的选取方案

方案一：定长CPU周期

原理：以最复杂的机器周期为标准，所有机器周期长度一致。
优点：
- 结构简单
- 控制电路容易实现
缺点：
- 时间浪费（简单操作也要等待最长时间）
- 效率低

方案二：不定长CPU周期

原理：根据实际需要，需要多少节拍就分配多少。
优点：
- 时间利用率高
- 无时间浪费
缺点：
- 控制电路复杂
- 实现难度大

方案三：时钟周期插入法（如8086总线周期）

原理：前两者的折中方案。选取一个适中的基本时长，对于无法在基本时长内完成的操作（如慢速内存读写），插入等待周期（ $T_{w}$ ）来延长。
优点：
- 兼顾了简单性和效率
- 适应不同速度的部件
应用：现代计算机中广泛采用

时钟周期插入法

7.2.2 控制方式

1. 同步控制方式 (Synchronous)

别称：集中控制、中央控制
原理：所有操作均由统一的时序信号驱动
特点：
- 设计简单，容易实现
- 存在时间浪费（必须迁就最慢的部件）
- 所有操作必须等待最慢的操作完成

适用场景：功能部件速度相近，或对实时性要求不高的系统。

2. 异步控制方式 (Asynchronous)

别称：分散控制、局部控制
原理：无统一时序，采用**应答（握手）**方式，根据部件的具体情况交互决定（如"读毕"信号）
特点：
- 机器效率高，无时间浪费
- 控制逻辑复杂
- 需要额外的握手信号线

工作流程：

请求方发出请求信号
响应方完成操作后发出应答信号
请求方收到应答后继续下一步

适用场景：功能部件速度差异大，需要充分利用各部件性能的系统。

3. 联合控制方式 (Joint)

原理：同步与异步相结合
应用：现代计算机大多数采用此方式
设计思想：
- 功能部件内部：采用同步控制（简单高效）
- 功能部件之间：采用异步控制（适应不同速度）

优势：

兼顾了简单性和效率
既保证了控制逻辑的简单性，又充分利用了各部件性能
是现代计算机的主流设计方式

7.2.3 指令运行的基本过程

一条指令的运行过程主要分为三个阶段：取指令 $\to$ 分析取数 $\to$ 执行。

1. 取指令阶段 (Fetch Stage) —— 公共操作

任务：从主存取出当前指令送入指令寄存器(IR)，并让PC指向下一条指令。

数据通路与微操作（假设单总线结构）：

$(P C) \to M A R$ ：将PC内容送至地址寄存器，并送地址总线。
$R e a d$ ：CU向主存发读命令。
$M [M A R] \to M D R$ ：存储器将数据送至数据寄存器。
$(M D R) \to I R$ ：将MDR中的指令送至指令寄存器。
$(P C) + 1 \to P C$ ：程序计数器加1，指向下一条指令。

特点：

上述操作对任何指令都是必须的，因此称为"公共操作"
所有指令都必须经过这个阶段

2. 分析取数阶段 (Decode & Operand Fetch)

任务：

译码：指令译码器(ID)识别指令类型，分析指令格式
取数：根据寻址方式计算有效地址，获取操作数

特点：

不同指令的操作各不相同
根据指令类型和寻址方式，可能需要：
- 从寄存器取数
- 从主存取数
- 计算有效地址
- 取立即数

示例：

寄存器寻址：直接从寄存器取数
直接寻址：从指令中获取地址，访问主存
间接寻址：先取地址，再根据地址取操作数

3. 执行阶段 (Execute Stage)

任务：完成指令规定的操作（运算、传送等），并将结果存储起来（写回寄存器或内存）。

操作类型：

算术运算：加、减、乘、除等
逻辑运算：与、或、非、异或等
数据传送：寄存器间传送、寄存器与主存间传送
控制转移：跳转、分支、调用等
其他操作：移位、比较、测试等

结果处理：

运算结果可能写入：
- 通用寄存器（如累加器AC）
- 主存单元
- 程序状态字寄存器（PSWR，如标志位）

4. 循环流程

计算机的工作过程就是：

取指令 \to 分析 \to 执行 \to 取下一条指令 \to \dots

如此周而复始，直到遇到：

停机指令：程序正常结束
外部干预：中断、异常等

指令周期示意：

┌─────────────┐
│  取指令阶段  │ ← 公共操作
└──────┬──────┘
       │
┌──────▼──────┐
│ 分析取数阶段 │ ← 指令相关
└──────┬──────┘
       │
┌──────▼──────┐
│   执行阶段   │ ← 指令相关
└──────┬──────┘
       │
       └──────→ 取下一条指令

5. 各组件在不同周期中的操作总结

下表总结了CPU各主要组件在取指周期、分析周期和执行周期中的微操作：

组件	取指周期	分析周期	执行周期
PC	$(P C) \to M A R$	$- -$	$- -$
IR	指令 $\to M D R \to I R$	$- -$	$- -$
ALU	$(P C) + 1$	$- -$	$(A) + 1$
MAR	指令地址 $\to M A R$	$A \to M A R$	$- -$
MDR	指令 $\to M D R$	$(A) \to M D R$	$(A) + 1 \to M D R$

说明：

取指周期：所有指令都必须执行的公共操作，包括从主存取指令、PC自增等
分析周期：根据指令类型和寻址方式，进行译码和取操作数操作
执行周期：完成指令规定的具体操作（如运算、数据传送等）
$- -$ 表示该组件在该周期中无操作或操作由具体指令决定

💡 学习要点与重难点标注

三级时序系统（★重点）

关系：指令周期 > 机器周期 > 时钟周期

指令周期：执行一条指令的全部时间
机器周期：完成一个基本操作（如取指、访存）的时间
时钟周期（节拍）：最基本的时间单位，主频的倒数

时序选取方案对比

方案	原理	优点	缺点
定长CPU周期	以最复杂的周期为准	设计简单	浪费时间
不定长CPU周期	按需分配	效率高	控制复杂
时钟周期插入法	折中方案，不够就插等待周期	兼顾简单性和效率	-

控制方式

同步控制：统一时钟，设计简单但存在时间浪费
异步控制：握手信号，无时钟浪费但控制逻辑复杂
联合控制：现代主流，内部同步，外部异步

总结

时序系统为CPU提供了时间基准，通过三级时序周期（指令周期、机器周期、时钟周期）来协调各部件的工作。控制方式有同步、异步和联合三种，现代计算机多采用联合控制方式。指令执行的基本过程包括取指令、分析取数和执行三个阶段，其中取指令是公共操作，所有指令都必须执行。

7.2 时序系统 ​

7.2.1 基本概念 ​

1. 三级时序周期体系 ​

指令周期 (Instruction Cycle) ​

机器周期 (Machine Cycle) ​

时钟周期 (Clock Cycle) ​

2. 时钟周期的选取方案 ​

方案一：定长CPU周期 ​

方案二：不定长CPU周期 ​

方案三：时钟周期插入法（如8086总线周期） ​

7.2.2 控制方式 ​

1. 同步控制方式 (Synchronous) ​

2. 异步控制方式 (Asynchronous) ​

3. 联合控制方式 (Joint) ​

7.2.3 指令运行的基本过程 ​

1. 取指令阶段 (Fetch Stage) —— 公共操作 ​

2. 分析取数阶段 (Decode & Operand Fetch) ​

3. 执行阶段 (Execute Stage) ​

4. 循环流程 ​

5. 各组件在不同周期中的操作总结 ​

💡 学习要点与重难点标注 ​

三级时序系统（★重点） ​

时序选取方案对比 ​

控制方式 ​

总结 ​