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    計算機系統中幾個“周期”的概念區別、微指令與機器指令關系

    2011-05-11  木芙蓉的...

    時鐘周期,一般也稱振蕩周期(如果晶振的輸出沒有經過分頻就直接作為cpu的工作時鐘,則時鐘周期就等于振蕩周期)。通常成為節拍脈沖或者T周期,它是cpu處理操作的最基本單位。
     
    機器周期,一般也成為CPU周期,由于CPU的內部操作很快,而CPU訪問一次內存的時間較長,因此通常用內存中讀取一個指令字最短的時間來規定CPU周期。也就是說,一條指令的取出階段(通常稱為取指)需要一個CPU周期。而一個CPU周期時間又包含有若干個時鐘周期。但是,必須指出,對于CPU周期的規定在各種計算機中不盡相同。
     
    指令周期:CPU每取出并執行一條指令,都要完成一系列的操作,這一系列的操作所需要的時間通常叫做一個指令周期。更簡單地說,指令周期是取出并執行一條指令的時間。由于各種指令的操作功能不同,有的簡單,有的復雜,因此各種指令周期是不盡相同的。例如。一條訪內指令的指令周期,同一條非訪內指令的指令周期是不同的。
     
    微指令周期:在串行方式的微程序控制器中,微指令周期等于讀出微指令的時間加上執行該條微指令的時間。為了保證整個機器的控制信號的同步,可以將一個微指令周期設計的恰好和CPU周期時間相等。
     
    總線周期:它由一個地址周期和一個或者多個數據周期組成。cpu在執行指令過程中,凡需執行訪問存儲器或訪問I/O端口的操作都統一交給BIU的外部總線完成,進行一次訪問(存取一個字節)所需的時間稱為一個總線周期。一般一個基本的總線周期由4個時鐘周期組成。
     
    總線周期詳解:

    8086CPU存儲器或外部設備通信,是通過20位分時多路復用地址數據總線來實現的。為了取出指令或傳輸數據,CPU要執行一個總線周期

    • 1.總線周期

    我們通常把8086CPU經外部總線對存儲器或I/O端口進行一次信息的輸入或輸出過程,稱為總線操作。而把執行該操作所需要的時間,稱為總線周期總線操作周期。由于總線周期全部由BLU來完成,所以也把總線周期稱為BIU總線周期。 8086的總線周期至少由4個時鐘周期組成。每個時鐘周期稱為T狀態,用T1、T2、T3和T4表示。在T1狀態期間,CPU將存儲地址或I/O端口的地址置于總線上。若要將數據寫入存儲器或I/O設備,則在T2~T4這段時間內,要求CPU在總線上一直保持要寫的數據;若要從存儲器或I/O設備讀入信息,則CPU在T3~T4狀態由存儲器或I/O設備置于總線上的信息。 BIU只有在下列情況下,執行一個總線周期: ①在指令的執行過程中,根據指令的需要,由執行單元EU,請求BIU執行一個總線周期。例如,取操作數或存放指令執行結果等。 ②當指令隊列寄存器已經空出兩個字節,BIU必須填寫指令隊列的時候。這樣,在這兩總線操作周期之間,就有可能存在著BIU不執行任何操作的時鐘周期。

    • 2.空閑狀態TI(Idle State)

    在兩個總線周期之間,存在著BIU不執行任何操作的時鐘周期,這些不起作用的時鐘周期稱為空閑狀態,用TI表示。空閑狀態可以由幾種情況引起。例如,當8086CPU的把總線的主控權交給協處理機的時候;當8086執行一條長指令--16位的乘法指令MUL,或除法指令DIV的時候(MUL的執行時間為124時鐘周期+EA,DIV的執行時間為155時鐘周期+EA)。這時BIU有相當長的一段時間不執行任何操作,其時鐘周期處于空閑狀態。 8086的總線周期中,除了空閑狀態TI以外,還有一種等待狀態TW。

    • 3.等待狀態TW(Wait State)

    8086CPU與慢速的存儲器和I/O接口交換信息時,為了防止丟失數據,在總線周期的T3和T4之間插入一些必要的等待狀態TW,用來給予必要的時間補償。在等待狀態期間,總線上的信息保持不變,其他一些控制信號也都保持不變。

        在CPU當中,一般操作控制器根據設計方式的不同,操作控制器可以分為硬布線控制器,微程序控制器,以及前兩種的綜合方式的控制器。操作控制器的功能就是根據操作碼和時序產生器產生的時序信號,產生各種操作控制信號,以便正確地建立數據通路(通常把許多寄存器之間傳送信息的通路成為數據通路,信息從什么地方開始,中間經過哪個寄存器或者多路開關,最后傳到哪個寄存器,都由操作控制器控制完成),從而完成取指令和執行指令的控制。

        微程序設計技術是利用軟件方式來設計硬件的一門技術。微程序控制的基本思想是仿照通常的解題程序方式,把操作控制信號編成所謂的“微指令”,存放到一個只讀存儲器中。當機器運行時候,一條又一條地讀出這些微指令,從而產生全機所需要的各種操作控制信號,使相應部件執行所規定的操作。

       微指令和微操作

       一臺數字計算機基本上可以劃分為兩大部分---控制部件和執行部件。控制器就是控制部件,而運算器、存儲器、外圍設備相對控制器來說就是執行部件。那么兩者是這么聯系的呢?控制部件與執行部件的一種聯系就是通過控制線。控制部件通過控制線向執行部件發出各種控制命令,通常這種控制命令叫做微命令,而執行部件接受微命令后所執行的操作就叫做微操作。控制部件與執行部件之間的另一種聯系就是反饋信息。執行部件通過反饋線向控制部件反映操作情況,以便使得控制部件根據執行部件的狀態來下達新的微命令,這也叫做“狀態測試”。微操作在執行部件中是組基本的操作。由于數據通路的結構關系,微操作可分為相容性和相斥性兩種。

      在機器的一個CPU周期中,一組實現一定操作功能的微命令的組合,構成一條微指令。一般的微指令格式由操作控制和順序控制兩部分構成。操作控制部分用來發出管理和指揮全機工作的控制信號。其順序控制部分用來決定產生下一個微指令的地址。事實上一條機器指令的功能是由許多條微指令組成的序列來實現的。這個微指令序列通常叫做微程序。既然微程序是有微指令組成的,那么當執行當前的一條微指令的時候。必須指出后繼微指令的地址,以便當前一條微指令執行完畢以后,取下一條微指令執行。

       機器指令和微指令的關系歸納如下:

    1. 一條機器指令對應一個微程序,這個微程序是由若干條微指令構成的。因此,一條機器指令的功能是若干條微指令組成的序列來實現的。簡而言之,一條機器指令所完成的操作劃分成若干條微指令來完成,由微指令進行解釋和執行。

    2.從指令與微指令,程序與微程序,地址與微地址的一一對應關系上看,前者與內存儲器有關,而后者與控制存儲器(它是微程序控制器的一部分。微程序控制器主要由控制存儲器、微指令寄存器地址轉移邏輯三部分組成。其中,微指令寄存器又分為微地址寄存器和微命令寄存器兩部分)有關,與此相關也有相對應的硬設備。

    3.從一般指令的微程序執行流程圖可以看出。每個CPU周期就對于一條微指令。這就告訴我們怎么設計微程序,也將使得我們進一步體驗到機器指令很微指令的關系。

     

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