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501 CPU 的功能和基本结构

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CPU 的功能和基本结构

CPU 的功能

与 CPU 的结构密切相关

  1. 指令控制：
    • 完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制
  2. 操作控制：
    • 管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号
    • 把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作
  3. 时间控制：
    • 严格控制各种操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序
  4. 数据加工：
    • 对数据进行算术和逻辑运算
  5. 中断处理：
    • 对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理

CPU 的基本结构

组成部分

  1. CPU = 运算器 + 控制器
    • 运算器：对数据进行加工
    • 控制器：负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令
  2. CPU = 数据通路 + 控制部件

CPU 寄存器的分类

按汇编语言（或机器语言）程序是否可以访问

用户可见的寄存器

  • 可对这类寄存器编程，程序员可以通过指令直接访问和操作。
  • 使用这类寄存器可减少对主存储器的访问次数，提高 CPU 执行速度。
  • 如：
    • 通用寄存器 (General Purpose Registers)：存放操作数或地址，可作为累加器、变址寄存器、基址寄存器等多种用途。
    • 程序计数器 (Program Counter, PC)：存放下一条待执行指令的地址，CPU 依据 PC 内容取指令。
    • 程序状态字寄存器 (Program Status Word, PSW)：存放程序运行状态信息和条件码，如标志位（零标志 ZF、符号标志 SF、溢出标志 OF、进位标志 CF 等）以及中断允许标志、特权级等控制信息。
    • 累加寄存器 (Accumulator, AC)：专门用于存放算术逻辑运算的一个操作数和运算结果。
    • 变址寄存器 (Index Register, IX)：存放变址量，用于形成操作数的有效地址，实现变址寻址。
    • 基址寄存器 (Base Register, BR)：存放基地址，用于形成操作数的有效地址，实现基址寻址。
    • 栈指针寄存器 (Stack Pointer, SP)：存放栈顶地址，用于管理栈操作（压栈和弹栈）。

用户不可见的寄存器

  • 对用户透明，不可编程，程序员不能通过指令直接访问。
  • 被控制部件使用，以控制 CPU 的操作，协调各部件工作，如指令的取指、译码、执行等阶段。
  • 如：
    • 存储器地址寄存器 (Memory Address Register, MAR)：存放要访问的存储单元的地址，其内容直接送往地址总线。
    • 存储器数据寄存器 (Memory Data Register, MDR)：存放从存储器读取的数据或要写入存储器的数据，其内容直接与数据总线连接。
    • 指令寄存器 (Instruction Register, IR)：存放当前正在执行的指令，其内容送往指令译码器。
    • 暂存寄存器 (Temporary Register, TMP/DR)：临时存放操作数或中间结果，供 ALU 使用，或用于数据周转。

运算器基本结构

功能

  • 运算器是计算机对数据进行加工处理的中心，执行所有的算术运算（如加、减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、非、异或）。
  • 接收从控制器送来的命令并执行相应的动作，对数据进行加工和处理，并将运算结果送回或存入指定位置。

基本组成部件

  • 算术逻辑单元（ALU）： 运算器的核心部件，负责执行各种算术运算（如加、减、乘、除）和逻辑运算（如与、或、非、异或）。它是对数据进行加工处理的逻辑电路。
  • 程序状态字寄存器（PSW）：
    • PSW 存放程序状态字【标志位的组合】，用于保存系统的运行状态和运算结果的特征。
    • PSW 包括：
      • 状态标志：反映运算结果的特征，如溢出标志 (OF)、符号标志 (SF)、零标志 (ZF)、进位标志 (CF) 等。
      • 控制标志：控制指令的执行或 CPU 的工作状态，如中断标志、陷阱标志等。
  • 累加寄存器（ACC）： 是一个特殊的通用寄存器，主要用于暂存 ALU 运算的结果信息，并可作为加法运算的一个输入端，方便连续运算。
  • 通用寄存器组（GPRS）：
    • 用于存放操作数和各种地址信息，如 x86 架构中的 AX, BX, CX, DX 等。
    • 其位数通常与机器字长相等。
    • 部分通用寄存器具有特殊用途，例如 SP (堆栈指针) 用于指示栈顶地址。
  • 暂存寄存器： 暂存从数据总线或通用寄存器读来的操作数，通常对应用程序员透明，用于 ALU 内部运算的临时存储。
  • 移位寄存器（SR）： 用于对操作数或运算结果进行移位运算（如逻辑移位、算术移位、循环移位），常用于实现乘除法运算的辅助操作。
  • 计数器： 用于控制乘除运算等复杂操作的步数，确保运算过程的正确执行。

控制器基本结构

功能

  • 协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列
  • 基本功能包括取指令、分析指令、执行指令
    • 取指令：自动形成指令地址；自动发出取指令的命令
    • 分析指令：操作码译码（分析本条指令要完成什么操作），产生操作数的有效地址
    • 执行指令：根据分析指令得到的“操作命令”和“操作数地址”，形成操作信号控制序列，控制运算器、存储器以及 I/O 设备完成相应的操作
  • 中断处理：管理总线及输入输出；处理异常情况（如掉电）和特殊请求（如打印机请求打印一行字符）

组成

  • 程序计数器（PC）：
    • 用于指出下一条指令在主存中的存放地址（PC 总是存放指令地址）
    • PC 有自增功能
    • PC 的值会根据 CPU 在执行指令过程中自增或转移到程序的某处 (跳转指令)
    • PC 的位数等于主存储器地址位数
  • 指令寄存器（IR）：
    • 用于保存当前正在执行的那条指令
    • IR 的位数取决于指令字长
  • 指令译码器（ID）：
    • 仅对操作码字段进行译码，以确定指令的操作功能
  • 存储器地址寄存器（MAR）：
    • 存放要访问的主存储器单元的地址
    • MAR 的位数等于主存储器地址线位数
  • 存储器数据寄存器（MDR）：
    • 存放向主存储器写入的信息或从主存储器读出的信息
    • MDR 的位数等于存储字长
  • 时序系统：用于产生各种时序信号，都由统一时钟 CLOCK 分频得到
  • 微操作信号发生器：
    • 根据 IR 的内容 (指令)，PSW 的内容 (状态信息) 和时序信号产生控制计算机系统所需的各种控制信号
    • 有组合逻辑型和存储逻辑型

数据通路基本结构

专用数据通路方式

  • 根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连线线路
  • 使用多路选择器控制一路的输出
  • 使用三态门控制输出
  • 优点：性能较高，基本不存在数据冲突现象
  • 缺点：结构复杂，硬件量大，不易实现

CPU 内部单总线方式

  • 将所有寄存器的输入端和控制端都连接到一条公共通路
  • 优点：结构简单，容易实现
  • 缺点：传输存在较多冲突现象，性能较低

CPU 常混淆点

  • 转移指令时，需要判别转移是否成功，若成功则 PC 修改为转移指令的目标地址，否则下一条指令的地址仍然为 PC 自增后的地址
  • 计算机分两大部分：控制部件和执行部件
    • 控制器就是控制部件，指令寄存器，操作控制器，程序计数器都是控制部件
    • 运算器，存储器，外围设备就是执行部件
  • 各寄存器的位数等于什么？【和地址有关的就取决于机器字长，和数据大小有关的就取决于容量】
    • 通用寄存器：机器字长
    • PC：
      • 按字节编址：与存储器地址的位数相等，取决于存储器容量
      • 按字编址：位数 = 存储器地址的位数 - 【指令必须按边界对齐的方式存放】，取决于存储器容量和存储字长
    • IR：指令字长
    • MAR：存储器容量
    • MDR：存储字长

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