時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式

1、5.3 時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式時(shí)序產(chǎn)生器和控制方式 時(shí)序信號(hào)的作用和體制時(shí)序信號(hào)的作用和體制 時(shí)序信號(hào)時(shí)序信號(hào) CPU中一個(gè)類(lèi)似中一個(gè)類(lèi)似“作息時(shí)間作息時(shí)間”的東西，使計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確、的東西，使計(jì)算機(jī)可以準(zhǔn)確、迅速、有條不紊地工作。機(jī)器一旦被啟動(dòng)，即迅速、有條不紊地工作。機(jī)器一旦被啟動(dòng)，即CPU開(kāi)始取開(kāi)始取指令并執(zhí)行指令時(shí)，操作控制器就利用定時(shí)脈沖的順序和指令并執(zhí)行指令時(shí)，操作控制器就利用定時(shí)脈沖的順序和不同的脈沖間隔，有條理、有節(jié)奏地指揮機(jī)器的動(dòng)作，規(guī)不同的脈沖間隔，有條理、有節(jié)奏地指揮機(jī)器的動(dòng)作，規(guī)定在這個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)做什么，在那個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)又做什么，定在這個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)做什么，在那個(gè)脈沖到來(lái)時(shí)

2、又做什么，給計(jì)算機(jī)給計(jì)算機(jī) 各部分提供工作所需的時(shí)間標(biāo)志。為此，需要采各部分提供工作所需的時(shí)間標(biāo)志。為此，需要采用多級(jí)時(shí)序體制。用多級(jí)時(shí)序體制。思考思考用二進(jìn)制碼表示的指令和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存里，那用二進(jìn)制碼表示的指令和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存里，那 么么CPU是怎樣識(shí)別出它們是數(shù)據(jù)還是指令呢是怎樣識(shí)別出它們是數(shù)據(jù)還是指令呢? 從從時(shí)間時(shí)間上來(lái)說(shuō)，取指令事件發(fā)生在指令周期的第一個(gè)上來(lái)說(shuō)，取指令事件發(fā)生在指令周期的第一個(gè)CPU周期中，即發(fā)生在周期中，即發(fā)生在“取指令取指令”階段，而取數(shù)據(jù)事件發(fā)生在階段，而取數(shù)據(jù)事件發(fā)生在指令周期的后面幾個(gè)指令周期的后面幾個(gè)CPU周期中，即發(fā)生在周期中，即發(fā)生在“執(zhí)行指令執(zhí)行指

3、令”階段。階段。 從從空間空間上來(lái)說(shuō)，如果取出的代碼是指令，那么一定送往指上來(lái)說(shuō)，如果取出的代碼是指令，那么一定送往指令寄存器，如果取令寄存器，如果取 出的代碼是數(shù)據(jù)，那么一定送往運(yùn)算器。出的代碼是數(shù)據(jù)，那么一定送往運(yùn)算器。由此可見(jiàn)，時(shí)間控制對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是太重要了。由此可見(jiàn)，時(shí)間控制對(duì)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)是太重要了。 總之，計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)間標(biāo)志，而時(shí)間標(biāo)志則是用總之，計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作需要時(shí)間標(biāo)志，而時(shí)間標(biāo)志則是用時(shí)序信號(hào)時(shí)序信號(hào)來(lái)體現(xiàn)的。來(lái)體現(xiàn)的。 硬布線控制器中，時(shí)序信號(hào)往往采用硬布線控制器中，時(shí)序信號(hào)往往采用主狀態(tài)周期主狀態(tài)周期-節(jié)拍電位節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖三級(jí)體制。三級(jí)體制。 在微程

4、序控制器中，時(shí)序信號(hào)比較簡(jiǎn)單，一般采用在微程序控制器中，時(shí)序信號(hào)比較簡(jiǎn)單，一般采用節(jié)拍電位節(jié)拍電位-節(jié)拍脈沖節(jié)拍脈沖二級(jí)體制。二級(jí)體制。時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器 微程序控制器中使用的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器由時(shí)鐘源、環(huán)形脈微程序控制器中使用的時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器由時(shí)鐘源、環(huán)形脈 沖發(fā)生器、節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序譯碼邏輯、啟?？刂七壿嫷葲_發(fā)生器、節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序譯碼邏輯、啟停控制邏輯等部分組成。部分組成。(圖圖5.18） 1.時(shí)鐘源時(shí)鐘源 時(shí)鐘源用來(lái)為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的時(shí)鐘源用來(lái)為環(huán)形脈沖發(fā)生器提供頻率穩(wěn)定且電平匹配的方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)。它通常由石英方波時(shí)鐘脈沖信號(hào)。它通常由石英 晶體振蕩器

5、和與非門(mén)組晶體振蕩器和與非門(mén)組成的正反饋振蕩電路組成，其輸出送至環(huán)形脈沖發(fā)生器。成的正反饋振蕩電路組成，其輸出送至環(huán)形脈沖發(fā)生器。2.環(huán)形脈沖發(fā)生器環(huán)形脈沖發(fā)生器 環(huán)形脈沖發(fā)生器的作用是產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的環(huán)形脈沖發(fā)生器的作用是產(chǎn)生一組有序的間隔相等或不等的脈沖序列，以便通過(guò)譯碼電路來(lái)產(chǎn)生最后所需的節(jié)拍脈沖。脈沖序列，以便通過(guò)譯碼電路來(lái)產(chǎn)生最后所需的節(jié)拍脈沖。 為了在節(jié)拍脈沖上不帶干擾毛刺，環(huán)形脈沖發(fā)生器通常采用循環(huán)移位寄存器形式。圖 5.19示出了一種典型的環(huán)形脈沖發(fā)生器及其譯碼邏輯，它采用循環(huán)移位寄存器形式 。 圖5.19中，我們假定時(shí)鐘源輸出 5MHz（脈沖寬度200ns）的時(shí)

6、鐘信號(hào)當(dāng) CPU發(fā)出總清信號(hào)（ CLR）使觸發(fā)器C4置“l(fā)”時(shí)，門(mén)3打開(kāi)，第一個(gè)正脈沖通過(guò)門(mén)3使觸發(fā)器 C1C3清“0”經(jīng)過(guò)半個(gè)主脈沖周期（100ns）的延遲，觸發(fā)器C4由“1”狀態(tài)翻到“ 0”狀態(tài)，再經(jīng)過(guò)半個(gè)主脈沖周期的延遲后，第二個(gè)正脈沖的上升沿（即第一個(gè)的后沿）作移位信號(hào)，使觸發(fā)器 C1C0變?yōu)椤?00”狀態(tài).此后，第二個(gè)，第三個(gè)連續(xù)通過(guò)門(mén) 2形成移位信號(hào)，使C1C3相繼變?yōu)椤?10”，“111狀態(tài)，其過(guò)程見(jiàn)圖5.20所示. 當(dāng)C3變?yōu)椤?1” 狀態(tài)時(shí)（對(duì)應(yīng)第 4個(gè)正脈沖），其狀態(tài)便反映到觸發(fā)器C4的D端因而在第 4個(gè)正脈沖的下降沿時(shí)又將C4置” 1” ，門(mén) 3再次打開(kāi)，第5個(gè)正脈沖便通

7、過(guò)門(mén)3形成清“ 0”脈沖，將觸發(fā)器C1一C3清零于是下一個(gè)循環(huán)再度開(kāi)始其動(dòng)態(tài)過(guò)程見(jiàn)CAI軟件演示 3.節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序的譯碼節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序的譯碼 圖圖5.19中的上半部示出了節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序的譯碼邏中的上半部示出了節(jié)拍脈沖和讀寫(xiě)時(shí)序的譯碼邏輯我們假定在一個(gè)輯我們假定在一個(gè)CPU周期中產(chǎn)生四個(gè)等間隔的節(jié)拍周期中產(chǎn)生四個(gè)等間隔的節(jié)拍脈沖，那么其譯碼邏輯可表示為脈沖，那么其譯碼邏輯可表示為 TO1=C1C2 TO2= C2C3 TO3= C3 TO4=C1 參閱圖參閱圖 5. 20，節(jié)拍脈沖，節(jié)拍脈沖 T10T40的脈沖寬度均為的脈沖寬度均為 200ns，因此一個(gè)因此一個(gè) CPU周期便是周期

8、便是800ns，在下一個(gè)，在下一個(gè)CPU周期中，它周期中，它們又按固定的時(shí)間關(guān)系，重復(fù)們又按固定的時(shí)間關(guān)系，重復(fù)T10，T20，T30，的先后，的先后次序，以供給機(jī)器工作所需的原始節(jié)拍脈沖不過(guò)注意，次序，以供給機(jī)器工作所需的原始節(jié)拍脈沖不過(guò)注意，圖圖 5. 20中畫(huà)出的節(jié)拍脈沖信號(hào)是中畫(huà)出的節(jié)拍脈沖信號(hào)是 T1T4，它們?cè)谶壿嬯P(guān)，它們?cè)谶壿嬯P(guān)系上與系上與T10一一T40是完全一致的，是后者經(jīng)過(guò)啟?？刂七壿嬍峭耆恢碌?，是后者經(jīng)過(guò)啟?？刂七壿嬛信c門(mén)以后的輸出，圖中忽略了一級(jí)與門(mén)的時(shí)間延遲細(xì)中與門(mén)以后的輸出，圖中忽略了一級(jí)與門(mén)的時(shí)間延遲細(xì)節(jié)節(jié) .讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)的譯碼邏輯表達(dá)式為讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)的譯碼邏輯

9、表達(dá)式為 RD0=C2RD WE0 C3WE MREQ0 =C2MREQ IORQ0 =C2IORQ 其其 RD0， WE0和和 MREQ0信號(hào)配合后可進(jìn)行存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作；信號(hào)配合后可進(jìn)行存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)操作；而而 RD0， WE0和和 IORQ0信號(hào)配合后可進(jìn)行外圍設(shè)備的讀寫(xiě)操信號(hào)配合后可進(jìn)行外圍設(shè)備的讀寫(xiě)操作、表達(dá)式右邊帶撇號(hào)的作、表達(dá)式右邊帶撇號(hào)的 RD，WE，MREQ，IORQ是來(lái)自是來(lái)自微程序控制器的控制信號(hào)，它們都是持續(xù)時(shí)間為一個(gè)微程序控制器的控制信號(hào)，它們都是持續(xù)時(shí)間為一個(gè)CPU周期周期的節(jié)拍電位信號(hào)這就是說(shuō)，讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)的節(jié)拍電位信號(hào)這就是說(shuō)，讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào) RD0， WE0， M

10、REQ0， IORQ0是受到控制的，它們只有在等式右邊帶撇號(hào)的是受到控制的，它們只有在等式右邊帶撇號(hào)的控制信號(hào)有效后才能產(chǎn)生，而不像節(jié)拍脈沖控制信號(hào)有效后才能產(chǎn)生，而不像節(jié)拍脈沖 T10- T40那樣，一旦那樣，一旦加上電源后就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生加上電源后就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生 . 在組合邏輯控制器中節(jié)拍電位信號(hào)是由時(shí)序產(chǎn)生器本身通過(guò)在組合邏輯控制器中節(jié)拍電位信號(hào)是由時(shí)序產(chǎn)生器本身通過(guò)邏輯電路來(lái)產(chǎn)生的，一個(gè)節(jié)拍電位持續(xù)時(shí)間正好包容若干個(gè)節(jié)邏輯電路來(lái)產(chǎn)生的，一個(gè)節(jié)拍電位持續(xù)時(shí)間正好包容若干個(gè)節(jié)拍脈沖拍脈沖 .然而在微程序設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)中，節(jié)拍電位信號(hào)可由微程然而在微程序設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)中，節(jié)拍電位信號(hào)可由微程序控制器提

11、供一個(gè)節(jié)拍電位持續(xù)時(shí)間，通常也是一個(gè)序控制器提供一個(gè)節(jié)拍電位持續(xù)時(shí)間，通常也是一個(gè)CPU周周期時(shí)間例如，圖期時(shí)間例如，圖 5.20中的中的RD，WE和和MREQ信號(hào)持續(xù)時(shí)間信號(hào)持續(xù)時(shí)間均為均為800ns，而一個(gè)，而一個(gè)CPU周期也正好是周期也正好是 800ns.關(guān)于微程序控制器關(guān)于微程序控制器如何產(chǎn)生節(jié)拍電位信號(hào)，將留在下一節(jié)介紹如何產(chǎn)生節(jié)拍電位信號(hào)，將留在下一節(jié)介紹4啟?？刂七壿媶⑼？刂七壿?機(jī)器一旦接通電源，就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生原始的節(jié)拍脈沖信號(hào)機(jī)器一旦接通電源，就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生原始的節(jié)拍脈沖信號(hào)T T1 10 0- - T T4 40 0然而只有在啟動(dòng)機(jī)器運(yùn)行的情況下，才允許時(shí)序產(chǎn)生器然而只有在啟動(dòng)

12、機(jī)器運(yùn)行的情況下，才允許時(shí)序產(chǎn)生器發(fā)出發(fā)出 CPUCPU工作所需的節(jié)拍脈沖工作所需的節(jié)拍脈沖T T1 1T T4 4，為此需要由啟?？刂七墸瑸榇诵枰蓡⑼？刂七壿媮?lái)控制輯來(lái)控制 T T1 10 0一一T T4 40 0的發(fā)送。同樣，對(duì)讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)也需要由的發(fā)送。同樣，對(duì)讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)也需要由啟停邏輯加以控制啟停邏輯加以控制 啟?？刂七壿嫷暮诵氖且粋€(gè)運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器（啟?？刂七壿嫷暮诵氖且粋€(gè)運(yùn)行標(biāo)志觸發(fā)器（CrCr），見(jiàn)圖），見(jiàn)圖 5. 215. 21當(dāng)運(yùn)行觸發(fā)器為當(dāng)運(yùn)行觸發(fā)器為“ “ l”l”時(shí)，原始節(jié)拍脈沖時(shí)，原始節(jié)拍脈沖T T1 10 0- T- T4 40 0和讀和讀寫(xiě)時(shí)序信號(hào)寫(xiě)時(shí)序信號(hào)RD

13、RDo o ， WEWEo o ， MREQMREQo o 通過(guò)門(mén)電路發(fā)送出去，變成通過(guò)門(mén)電路發(fā)送出去，變成 CPUCPU真正需要的節(jié)拍脈沖信號(hào)真正需要的節(jié)拍脈沖信號(hào)T T1 1T T4 4和讀寫(xiě)時(shí)序和讀寫(xiě)時(shí)序RDRD，WEWE，MREQMREQ反之，當(dāng)運(yùn)行觸發(fā)器為反之，當(dāng)運(yùn)行觸發(fā)器為” ” 0”0”時(shí)，就關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)，就關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器. . 由于啟動(dòng)計(jì)算機(jī)是隨機(jī)的，停機(jī)也是隨機(jī)的，為此必須要求：由于啟動(dòng)計(jì)算機(jī)是隨機(jī)的，停機(jī)也是隨機(jī)的，為此必須要求：當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一定要從第一個(gè)節(jié)拍脈沖前沿開(kāi)始工作而當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一定要從第一個(gè)節(jié)拍脈沖前沿開(kāi)始工作而在停機(jī)時(shí)一定要在第四個(gè)節(jié)拍脈沖結(jié)束后關(guān)

14、閉時(shí)序產(chǎn)生器在停機(jī)時(shí)一定要在第四個(gè)節(jié)拍脈沖結(jié)束后關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器 . .只只有這樣，才能使發(fā)送出去的脈沖都是完整的脈沖圖有這樣，才能使發(fā)送出去的脈沖都是完整的脈沖圖5.215.21中，中，在在CrCr觸發(fā)器下面加上一個(gè)觸發(fā)器下面加上一個(gè) RSRS觸發(fā)器，且用觸發(fā)器，且用T T4 4信號(hào)作信號(hào)作CrCr觸發(fā)器的觸發(fā)器的時(shí)鐘控制端，那么就可以保證在時(shí)鐘控制端，那么就可以保證在T T1 1的前沿開(kāi)啟時(shí)序產(chǎn)生器，而的前沿開(kāi)啟時(shí)序產(chǎn)生器，而在在T T4 4的后沿關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器的后沿關(guān)閉時(shí)序產(chǎn)生器三、控制方式三、控制方式 從從5 52 2節(jié)知道，機(jī)器指令的指令周期是由多少不等的節(jié)知道，機(jī)器指令的指令周期是由

15、多少不等的CPUCPU周期數(shù)組成，周期數(shù)組成，CPUCPU周期數(shù)的多少反映了指令動(dòng)作的復(fù)雜周期數(shù)的多少反映了指令動(dòng)作的復(fù)雜程度，即保作控制信號(hào)的多少對(duì)一個(gè)程度，即保作控制信號(hào)的多少對(duì)一個(gè) CPUCPU周期而言，也周期而言，也有操作控制信號(hào)的多少與出現(xiàn)的先后問(wèn)題這兩種情況綜有操作控制信號(hào)的多少與出現(xiàn)的先后問(wèn)題這兩種情況綜合在一起，說(shuō)明每條指令和每個(gè)操作控制信號(hào)所需的時(shí)間合在一起，說(shuō)明每條指令和每個(gè)操作控制信號(hào)所需的時(shí)間各不相同形成控制不同操作序列的時(shí)序信號(hào)的方法，稱(chēng)各不相同形成控制不同操作序列的時(shí)序信號(hào)的方法，稱(chēng)為控制器的控制方式常用的有為控制器的控制方式常用的有同步控制、異步控制、聯(lián)同步控制、

16、異步控制、聯(lián)合控制合控制三種方式其實(shí)質(zhì)則反映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí)方式三種方式其實(shí)質(zhì)則反映了時(shí)序信號(hào)的定時(shí)方式 1.同步控制方式同步控制方式在任何情況下，已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)在任何情況下，已定的指令在執(zhí)行時(shí)所需的機(jī)器周期數(shù)和時(shí)鐘周期數(shù)都固定不變。根據(jù)不同情況，同步控制方式和時(shí)鐘周期數(shù)都固定不變。根據(jù)不同情況，同步控制方式可選取如下方案：可選取如下方案： (1)采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。采用完全統(tǒng)一的機(jī)器周期執(zhí)行各種不同的指令。 (2)采用不定長(zhǎng)機(jī)器周期。采用不定長(zhǎng)機(jī)器周期。 (3)中央控制與局部控制結(jié)合。中央控制與局部控制結(jié)合。2.異步控制方式異步控制方式其特點(diǎn)是：每條指令、每個(gè)操作控制信號(hào)需要多少時(shí)間就其特點(diǎn)是：每條指令、每個(gè)操作控制信號(hào)需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。這意味著每條指令的指令周期可由多少不等占用多少時(shí)間。這意味著每條指令的指令周期可由多少不等的機(jī)器周期數(shù)組成；也可以是當(dāng)控制器發(fā)出某一操作控制信的機(jī)器周期數(shù)組成；也可以是當(dāng)控制器發(fā)出某一操作控制信號(hào)后，等待執(zhí)行部件完成操作后發(fā)號(hào)后，等待執(zhí)行部件完成操作后發(fā)“回答回答”信號(hào)，再開(kāi)始新信號(hào)，再開(kāi)始新的操作。顯然，用這種方式形成的操作控制序列沒(méi)有固定的的操作。顯然，用這種方式形成的操作控制序列沒(méi)有固定的CPU周期數(shù)周期數(shù)(節(jié)拍電位節(jié)拍電位)或嚴(yán)格的時(shí)鐘周期