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时序控制方式 计算机中一条指令的执行过程：读取指令 ? 读取操作数 ? 运算 ? 存放结果。 这样的执行过程需要一种时间划分的信号标志即时序信号来对执行指令的操作定时。 本讲内容先讲述“指令的执行过程”，然后再讲述“时序控制方式”。 教学目标 掌握指令的执行过程 掌握时序控制方式 教学内容 指令的执行过程 时序的控制方式 指令的执行过程 1、指令的分段执行过程 2、指令之间的衔接方式 指令的执行过程（续） 1、指令的分段执行过程 指令执行的3个阶段：读取指令，分析指令和执行指令。读取与分析指令的操作，对所有指令几乎都一样，而每条指令的执行阶段的具体操作则有效大差别。 比如：有的指令需要从存储器中取操作数，再进行运算，运算结果还要写回存储器，因此执行阶段还可细分。 指令的执行过程（续） 1、指令的分段执行过程（续） 指令执行过程一般可分为： （1）取指令 （2）分析指令 （3）执行指令 指令的执行过程（续） 1、指令的分段执行过程（续） （1）取指令 根据指令计数器PC提供的地址从主存储器中读取现行指令，送到主存数据缓冲器MDR中，然后再送往CPU内的指令寄存器IR中。同时改变指令计数器的内容，使指令计数器指向下一条指令地址或紧跟现行指令的立即数或地址码。 指令的执行过程（续） 1、指令的分段执行过程（续） （2）分析指令 如果CPU采用组合逻辑控制器，则通过译码电路译出IR中指令各字段表示什么操作，并在时序系统地配合下产生该指令对应的微操作命令序列。 如果CPU采用微程序控制器，则可根据指令的操作码与标志位转向控制存储器取出对应的微程序，由微指令提供微操作命令序列。 通常译码电路工作只需很短的一点时间，因此不必为分析指令含义去设置专门的节拍。 指令的执行过程（续） 1、指令的分段执行过程（续） （3）执行指令 1）取操作数 如果现行指令需要从主存取操作数，就需要安排时间再次访问存储器。如果是间址方式或是取双操作数，则访问主存次数就更多。若是变址方式，在取数之前还需安排时间进行变址计算。 指令的执行过程（续） 1、指令的分段执行过程（续） （3）执行指令 2）执行操作 如果现行指令需要运算，则需考虑形成稳定运算结果的时间，为此安排专门的节拍。对乘除、浮点运算则需占用更多的节拍。若运算结果需送回主存单元，则应安排时间以完成对主存的写操作。 指令的执行过程（续） 1、指令的分段执行过程（续） （3）执行指令 3）形成下条指令地址 对于顺序执行的指令，下条指令地址在取指令、取立即数、取地址码时，就已形成在PC中；如果是转移类指令，则将形成的转移地址送到PC中。以后再取下一条指令，分析，执行，如此循环直至程序执行完毕或外来干预为止。 指令的执行过程（续） 2、指令之间的衔接方式 有2种方式：串行的顺序安排方式与并行的重叠处理方式。 采用不同的处理方式将对CPU的总体结构与时序系统有很大的影响。 指令的执行过程（续） 2、指令之间的衔接方式（续） 串行的顺序安排方式是指在一条指令执行完毕后才开始取下条指令。这种方式控制简单，但在时间上不能充分利用部件。例如在ALU进行运算时，主存是空闲的，在访问主存时，ALU又是空闲的。模型机就采用这种简单的指令衔接方式。 指令的执行过程（续） 2、指令之间的衔接方式（续） 为了提高设备利用率和运算速度，可以让指令重叠执行，即在对现行指令执行运算操作时提前从主存取出下条指令，而不必等当前指令全部执行完，但如果程序需要转移，预取下条指令就要失败。不过由于大多数情况下程序流程是顺序执行，下条指令地址并不依赖本次执行结果，所以预取指令还是能有效地提高执行速度。 时序控制方式 很显然，执行一条指令的过程可分为几个阶段，而每段又分为若干步基本操作，每一步操作则是由控制器产生相应的一些控制信号实现的。因此，每条指令都分可分解为一个控制信号序列，指令的执行过程就是依次执行一个确定的控制信号序列的过程。 由于执行指令的各步操作是有先后次序的，并且许多控制信号的长短也有严格的时间限制，这就需要引入时序信号对它们进行定时控制。时序控制方式就是指微操作与时序信号之间采取何种关系，它不仅直接决定时序信号的产生，也影响到控制器及其它部件的组成，以及指令的执行速度。 时序控制方式（续） 1、同步控制方式 同步控制方式是指各项操作由统一的时序信号进行同步控制，这就意味着各个微操作必须在规定时间内完成，到达规定时间就自动执行后继的微操作。 同步控制的基本特征是将操作时间分为若干长度相同的时钟周期（也称为节拍），要求在一个或几个时钟周期内完成各个微操作。机器的时钟频率（主频）的选择主要取决于CPU内部的操作。通常时钟应能完成CPU内部花费时间最长的微操作。显然，对于花费时间少的微操作，就会有时间上的浪费，这种是同步控制方式的一个缺点