井井有条来自对千头万绪的梳理

时序波形图是计算机操作顺序的图形表示，深刻而严谨地表现了机器运行的精确节律。在非计算机专业的教材中，一般不涉及机器周期问题，原因可能是课程的决策者们认为这是个难题，又没有多大用处。但是，经过多年的实践，我认为，了解机器周期的作用对于理解计算机工作的严格性是有益的，读懂时序信号的波形图对于了解计算机运行的谐调性是有帮助的。更加令人欣慰的是，这儿可以作为学习计算机优良作风时最恰当的切入点。下面是我构思“存储器读写时序波形图”教学的过程、心里的活动和观念的提升。

问题的提出

如图1所示，在CPU从存储器读入数据或向存储器写出数据时，有的动作是CPU发出的，有的动作是存储器发出的；有的信号是控制信号，有的信号是数据信号，有时读取指令，有时读取数据，有的是单向信号，有的是双向信号。情况错综复杂，工作千头万绪。在此困难的情况下，是机器周期挺身而出，象一把严格、精密的梳子，把千头万绪的工作梳理得井井有条。机器周期的长短取决于非常精确的时钟信号的频率，在时钟信号的约束下，CPU复杂的读写操作才得以按部就班、有条不紊地进行。

计算机运行时所呈现出来的严谨而谐调的特性是值得我们学习的。所以，应该深入浅出地把时钟周期、机器周期和时序波形图等内容写入到《计算机应用基础》教材之中，不但可以使学生掌握至关重要的基础知识，还能够对学生开展思想作风方面的教育，体现计算机的大文化教育观。

设计的思路

怎样使教材做到既深入又浅出呢？第一，本着知识含量不减少，教学难度要降低的原则来组织“机器周期”和“时序波形图”的教学内容。舍弃原教材中出现在波形图中的一些控制信号，如“M/IO”信号的作用是控制对存储器操作还是对外设操作，出现“ADS”信号表示总线上的地址信号和控制信号已经有效，省略这些信号可以简化波形图中的信号，不会对CPU访问存储器的工作过程产生过多的影响。第二，把原图中用符号表示的各种信号的名字用中文表示，并尽量通俗易懂。如原来用“W/R”表示读写控制信号，并且用字母上面的横线表示低电平有效。更改后用“读/写控制”替代“W/R”，这样有利于理解和记忆。第三，在解释各种信号在时钟周期的约束下流动时，一定要说清信号的来龙去脉，使整个信号过程清晰明了。如“读/写控制”信号来自CPU，控制的对象是存储器。而“完成信号”是存储器向CPU发出的应答信号。

根据这种思路，应该首先整体描述CPU访问存储器是经历的3个机器周期，描述的线索是横向进行的；还应该介绍地址信号及其与数据信号的位置关系，线索是纵向的；然后，必须交代两个控制信号的作用，可以采用比喻的方法来化简问题的难度；接下来是攻克教学难点问题，即解释插入等待周期的原因和做法；最后，借助于读取数据和写入数据的过程，应该对时序图中涉及到的5种信号(1个地址信号、1个数据信号，3个控制信号)及其相互之间的关系做出全面、系统的介绍，目的是将各种信号串联起来理解。同时得出与标题相吻合的结论：只有在时钟周期的作用下，计算机才得以有条不紊地处理千头万绪的数据。

梳理的过程

在教学中，应该对机器在时钟脉冲控制下工作的过程，作出形象的、详细的描述。必要时还可以借助于通俗的示意图来说明严谨的原理性问题，使计算机的节律特性更加突出。下面，结合如图2所示的时序图，讲述CPU访问存储器的过程，也可以看作是机器周期梳理各种信号的过程。一般情况下，一个机器周期包括T1和T2两个时钟周期，在T1中把各种外来信号都记忆在存储器的译码或控制电路中，在T2结尾时才正式对有用的数据进行操作，或是从存储器传送到CPU，或是从CPU传送到存储器。下面，按照自上而下、从左向右的顺序来分析“CPU读写存储器的时序图”。

了解梳子自身。从图中可以看到，CPU访问存储器的整个过程经历了3个机器周期和一个空闲周期。第1个周期的任务是CPU从存储器中读取指令，第2周期是CPU从存储器中读取数据，第3周期是CPU向存储器中写入数据。这个基本过程不难理解，问题是为什么在第3个机器周期中出现了3个时钟周期(一个T1、两个T2)呢？这个教学难点问题稍后再解决。最后是一个空闲周期。

梳理地址信号。我们接着向下看，既然CPU要从存储器中读取指令信息，首先应该把存放指令和操作数的存储器地址送到地址总线上来，时序图的第2行就是这种地址信号。被访问存储器的地址信息一旦出现在总线上，在没有新的地址信号出现时，CPU与该存储器之间开通的数据大道一直畅通无阻，直到读写操作结束后，这个通道才禁止通行。那么，为什么位于时序图最下面一行中的数据读入操作要比地址信号晚了一段时间呢？既然数据大道开通了，为什么不能同时读取存储器中的数据呢？产生这个问题的主要原因是“一个脑袋不能同时考虑几个问题”、“一只手不能同时柠几个螺丝”，在宏观上我们看见的“计算机飞快运行”的现象，其实是好多进程排了好长的队伍，秩序井然地等待CPU一件一件地处理。还有一个次要原因，那就是电路传输的延迟特性，好比货物从仓库运到交货处，哪有不耽搁一点时间的。

了解控制信号。下面介绍两个重要的控制信号。一个是“读/写控制”信号，它的作用是允许在一条很窄的马路上双向行驶车辆，但需要由红绿灯来控制行驶的方向：红灯亮了允许车辆从东向西行驶，绿灯亮了允许车辆从西向东行驶。听起来有些荒唐，交通再紧张也不至于这样来处理。但是，计算机就是这样处理的，双向数据传输是当今计算机的缺点，将来有可能实现读取数据和写入数据都会有自己独立的传输通道，那时计算机的运行速度可能要大幅度提高，但要以硬件的投入为代价。在原来的教材中，用“W/R”来表示“读写控制”信号，在“R”上面还有一条横线，表示在这条控制线是低电平时可以把存储器的数据读取到CPU中来。所以，在这条波形中，在所有向下凹陷的时段内都可以进行“读”操作，反之，在向上凸起的时段内都可以进行“写”操作。由于凹凸是交替进行的，所以不会在单行线上发生“撞车”事故。另一个控制信号是“数据/指令”，当此信号为低电平时允许读取指令，高电平时允许读写数据。这是针对机器指令的结构设计的，因为在一条指令中有命令字段和操作数字段，执行一条指令时必须先掌握“工艺”，即读取指令码，然后再提取“材料”，即获得操作数。

插入等待周期。接下来的问题是解决前面留下来的教学难点，即“插入等待周期”的问题。倒数第2行的“完成任务”信号是存储器与CPU的应答信号。当信号出现低电平时，意味着存储器已经完成了CPU教给的任务，如已经把CPU要的数据送到了数据总线上，或已经收到了CPU送来的数据等。为什么在第3个周期中有两个T2呢？本来在T2的末尾应该向CPU发出“完成任务”信号，但由于数据比较长没能按时写入到存储器中，又不能半途而废。因此，存储器马上在T2后面又插入了一个等待T2，要求CPU等待一个时钟周期，CPU及时发现了这个问题，延长了地址信号及其他相应的控制信号。当然，如果一个不行，还允许插入多个等待信号，直到完成写入数据的任务为止。看到机器的各个部件之间都能够这样如此的配合，想一想由于配合不当与同事争论得面红耳赤时，确实感觉到惭愧和脸红。

捕捉数据信号。时序图中的最后一个信号是“数据信号”。当“万事俱备，只欠东风”时，数据信号出现在数据总线上了。让我们从左向右来看一下，发生“读”和“写”操作时，条件具备了吗？这时，CPU在干什么？存储器又在干什么？首先分析第1个“读取”指令的操作是否符合条件。在第一个机器周期的T1时段中，地址信号已经稳定出现，“读/写控制”为低电平有效状态，“数据/指令”也处于低电平有效状态，但数据总线上空空如也，存储器还没有把数据送到总线上，所以，“完成任务”信号呈现高电平，等待“东风”吹起。在T2的后半部，数据信号稳定的出现在数据总线上了，当T2的脉冲信号消失的千钧一发之际(上升沿触发)，数据被CPU取走了。为什么在那么窄的“沿”上交接数据呢？主要是基于“防止干扰信号混进来”，就象把人放进来后马上关门，以防蚊子、苍蝇混进来一样。第2个机器周期是读数据，除了“数据/指令”控制信号由低电平变为高电平(表示可以对数据操作了)之外，其他现场条件以及读取过程与第一个机器周期完全相同。第3个写入数据的周期将实现数据从CPU向存储器方向的传输，该机器周期占用了3个时钟周期，除了“读/写控制”信号变成该高电平(表示可以进行写操作了)之外，其他控制及数据传输过程与前两个机器周期完全相同。

总线少时休息。最后还要对“空闲周期”做简单的说明。空闲是针对总线尔言的。如果把总线比作交通道路，当道路上没有车辆通过的时候，就可以把这段时间看作是空闲阶段。有人会产生疑问：由于“空闲”的干扰，会不会使计算机乱了阵脚呢？只要用列队时的“原地踏步”来形容总线周期的“空闲”现象就不难理解，空闲的时间再长，步调还是一致的。“等待”和“空闲”又一次见证了计算机原理与人类思维之间千丝万缕的联系。

理性的思考

怎样深入挖掘计算机的文化内涵，融合到教学之中为学生的素质提高服务呢？在计算机的存储器读写时序波形图中就潜在着深刻而通俗的思想和作风方面的教育素材。“时序波形图”是计算机的重要元素，在它井井有条工作的背后上演着对千头万绪的作业进行科学梳理的精彩剧目。如何让理论问题事件化？如何让技术问题生活化？如何使机器的问题人性化？如何揭开CPU访问存储器的工作内幕？如何让学生感受到计算机是井井有条工作的典范？这些都是设计“存储器读写时序波形图”教学方案时应该重点考虑的问题。

在计算机外部中断原理中也渗透着灵活和有序相配合的思想，无论当前的工作多么繁忙，只要有比自己级别高的其他工作要求，必须暂时放下手中的工作去响应；无论被中断的时间有多长，中断服务程序多么复杂，一旦完成临时性的任务，仍然要回到断点之处，认认真真地、按部就班地继续做日常的工作，这就是来源于科学家意识中的机器作风。计算机教师不但要教好计算机课，还要边教边学，学习计算机的严格自律、一丝不苟、有条不紊的工作作风，这是人类永远学不完的教材。

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