计算机组成原理——中央处理器CPU 1

Posted 2021-05-16 Rainbowman 0

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• 1.CPU与计算机硬件系统的关系
• 2. CPU的功能
• 3. CPU的组成
• • 3.1 运算器
  • 3.2 控制器
  • • 3.2.1 控制器的组成
    • 3.2.2 控制器的功能

1.CPU与计算机硬件系统的关系

计算机的硬件组成

计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备和总线系统组成，而CPU中包含运算器和控制器两部分，如图所示。

2. CPU的功能

指令控制

程序的顺序控制，称为指令控制。由于程序是有序的指令集合，CPU必须保证其按正确顺序执行。

操作控制

一条指令的功能由若干控制信号组合来实现。CPU需要产生指令的控制信号，并将各信号送到各个部件。控制这些部件按指令的要求进行动作。

时间控制

对各种操作实施时间上的定时，即CPU控制计算机有条不紊的工作。

数据加工

指的是对数据进行算术运算和逻辑运算，完成数据的加工处理，是CPU的根本任务。

3. CPU的组成

CPU由控制器和运算器两大部分组成，而运算器和控制器中又包含了一些寄存器等硬件，如图所示。

3.1 运算器

算术逻辑单元 ALU

计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。

通用寄存器组 GR

用来暂时存放ALU 运算所需要的数据和ALU运算后的结果。

数据寄存器 DR

数据寄存器DR用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存写入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在数据缓冲寄存器中。

作用：

(1)作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站；

(2)补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别；

(3)在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。

程序状态字寄存器 PSW

状态条件寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，如运算结果进位标志©，运算结果溢出标志(V)，运算结果为零标志(Z)，运算结果为负标志(N)等等。

3.2 控制器

3.2.1 控制器的组成

地址寄存器 AR

保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读/写操作完成为止。

当CPU和内存进行信息交换，即CPU向内存存/取数据时，或者CPU从内存中读出指令时，都要使用地址寄存器和数据缓冲寄存器。同样，如果我们把外围设备的设备地址作为像内存的地址单元那样来看待，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样使用 地址寄存器和数据缓冲寄存器。

指令寄存器 IR

用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器中，然后再传送至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。

程序计数器 PC

PC中存放下一条要执行指令的地址。一般情况下，CPU自动修改PC的内容，即PC=PC+1。遇到跳跃寻址时，下条指令的地址需要ALU运算出来后送PC。

指令译码器

指令译码器负责翻译，识别指令功能。

时序产生器和操作信号控制部件

由操作控制器OC发出控制信号。

3.2.2 控制器的功能

取指令

从存储器中取出将要执行的指令。

分析指令

亦称为解释指令或指令译码等。是对当前取出的指令进行分析，指出它要求做什么操作，并产生相应的操作控制命令。

如果参与操作的数据在存储器中，还需要形成操作数地址。

执行指令

根据分析指令产生的“操作命令”与“操作数地址”形成相应的操作控制信号序列，通过CPU、存储器和I/O的联合动作，完成数据运算，实现指令的功能。

另外还包括运算结果的处理与下条指令地址形成。

控制程序和数据的输入与结果的输出

根据程序安排或人的干预，在适当时候向I/O设备发出相应的命令完成I/O功能。

对异常情况进行处理

当机器出现异常情况，或者外设有请求时，均需要CPU来进行处理。