pc解讀12：時序控制與晶振以及指令周期的關係

cpu指令的解析就是按一定的時序發出控制訊號，事實上所有匯流排上的電子裝置都是在設計好的時序下進行工作，這就要求電腦中有穩定的高精度的時鐘訊號源。早在IBM-PC機中，就用晶振來提供穩定的時鐘脈衝，時間脈衝又提供給RTC元件來計算時間，即使在pc機斷電的情況下也可以用紐扣電池來驅動供電，以使得系統時間得以儲存。

倍頻技術與主頻
後來隨著cpu的速度越來越高，超過了晶振的最高頻率，於是又發明了倍頻技術，將晶振頻率通過一些手段進行放大，將放大之後的頻率提供給cpu,以支援cpu的快速時序要求。系統可以使用一個晶振元件經過不同的器件放大或者縮小到不同的工作頻率上以提供給pc機上不同的電子裝置。

提供給cpu的時鐘脈衝頻率成為cpu的主頻。cpu連續收到兩個兩個時間脈衝之間的間隔稱為一個刻度，刻度是電腦中最小的時間單位，在一個刻度內，cpu僅完成一個最基本的動作。

時序控制
我們分析取值過程的時序時，發現一個最簡單的取值過程，就有好多時序工作需要排隊，如先要控制pc中的值傳輸到MAR, 然後再將MAR中的資料送往地址線，然後再將讀訊號發到匯流排上，然後再從匯流排上讀取資料到MDR，再從MDR傳到IR，這些控制必須是先後在時序控制下完成，每一步必須佔用一個時間周期，而這些僅僅是指令執行過程的初始部分。

指令周期
在電腦中，為了便於管理，常把一條指令的執行過程劃分為若干個階段，每一階段完成一項工作。例如，取指令、儲存空間讀、儲存空間寫等，這每一項工作稱為一個基本操作。完成一個基本操作所需要的時間稱為機器周期。可見1個機器周期有若干刻度組成。同時，一個訪儲存空間或I/O連接埠操作所用的時間，稱為匯流排周期。

CPU每取出一條指令並執行這條指令，都要完成一系列的操作，這一系列操作所需要的時間通常叫做一個指令周期。換言之指令周期是取出一條指令並執行這條指令的時間。由於各條指令的操作功能不同，因此各種指令的指令周期是不盡相同的。例如一條加法指令的指令周期同一條乘法指令的指令周期是不相同的。 指令周期常常用若干個機器周期數來表示，機器周期也稱CPU周期。指令不同，所需的機器周期數也不同。對於一些簡單的單位元組指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器後，立即解碼執行，不再需要其它的機器周期。對於一些比較複雜的指令，例如轉移指令、乘法指令，則需要兩個或者兩個以上的機器周期。通常含一個機器周期的指令稱為單周期指令，包含兩個機器周期的指令稱為雙周期指令。

晶振時鐘源
晶振全稱為晶體振蕩器，其作用在於產生原始的時鐘頻率，這個頻率晶振經過頻率發生器的放大或縮小後就成了電腦中各種不同的匯流排頻率。

晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，是用電損耗很小的石英晶體經精密切割磨削並鍍上電極焊上引線做成。

晶體有一個很重要的特性，如果給它通電，它就會產生機械振蕩，反之，如果給它機械力，它又會產生電，這種特性叫機電效應。他們有一個很重要的特點，其振蕩頻率與他們的形狀，材料，切割方向等密切相關。

由於石英晶體化學效能非常穩定，熱膨脹係數非常小，其振蕩頻率也非常穩定，由於控制幾何尺寸可以做到很精密，因此，其諧振頻率也很準確。根據石英晶體的機電效應，我們可以把它等效為一個電磁振蕩迴路，即諧振迴路。他們的機電效應是機-電-機-電的不斷轉換，由電感和電容組成的諧振迴路是電場-磁場的不斷轉換。在電路中的應用實際上是把它當作一個高Q值的電磁諧振迴路。由於石英晶體的損耗非常小，即Q值非常高，做振蕩器用時，可以產生非常穩定的振蕩，作濾波器用，可以獲得非常穩定和陡削的帶通或帶阻曲線。

晶振用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態下工作，以提供穩定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十。進階的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定範圍內調整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。

晶振的作用是為系統提供基本的時鐘訊號。通常一個系統共用一個晶振，便於各部分保持同步。有些通訊系統的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調整頻率的方法保持同步。

晶振通常與鎖相環電路配合使用，以提供系統所需的時鐘頻率。如果不同子系統需要不同頻率的時鐘訊號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環來提供。