中央处理器——CPU的功能和基本结构
Posted 流楚丶格念
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了中央处理器——CPU的功能和基本结构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
CPU的功能
- 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。
- 操作控制。一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。CPU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。 - 时间控制。对各种操作加以时间上的控制。时间控制要为每条指令按时间
顺序提供应有的控制信号。 - 数据加工。对数据进行算术和逻辑运算。
- 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。
运算器和控制器的功能
-
运算器：对数据进行加工
-
控制器
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)
更形象点，如下图：
运算器的基本结构
运算器包括：算术逻辑单元与通用寄存器组。
- 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。
- 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。
例如下图：（当然没有这么简单，这只是个概图，肯定不是这么简单的了，大家可以先参考一下）
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接线路。
问题探究
如果按照上图直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据？？？
那肯定是不行的呀，这样数据不就传输混乱的嘛，那么我们怎样解决呢？
解决方法1. 使用多路选择器
根据控制信号选择一路输出
解决方法2. 使用三态门
可以控制每一路是否输出
如：
R0out为1时R$中的数据输出到A端，
R0out为0时R$中的数据无法输出到A端
优缺点：性能较高，基本不存在数据冲突现象，但结构复杂，硬件量大，不易实现。
运算器真正的基本结构
CPU采用内部单总线方式：将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上。
- 算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。
- 通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。
- 暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。
- 累加寄存器：它是一个通用寄存器，用于暂时存放ALU运算的结果信息，用于实现加法运算。
- 程序状态字寄存器：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息，如溢出标志（OP）、符号标志（SF）、零标志（ZF）、进位标志（CF）等。PSW中的这些位参与并决定微操作的形成。
- 移位器：对运算结果进行移位运算。
- 计数器：控制乘除运算的操作步数。
优缺点
结构简单，容易实现，但数据传输存在较多冲突的现象，性能较低。
控制器的基本结构
- 程序计数器：用于指出下一条指令在主存中的存放地址。CPU就是根据PC的内容去主存中取指令的。因程序中指令（通常）是顺序执行的，所以PC有自增功能。
- 指令寄存器：用于保存当前正在执行的那条指令。
- 指令译码器：仅对操作码字段进行译码，向控制器提供特定的操作信号。
- 微操作信号发生器：根据IR的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。
5.时序系统：用于产生各种时序信号，它们都是由统一时钟（CLOCK）分频得到。 - 存储器地址寄存器：用于存放所要访问的主存单元的地址。
- 存储器数据寄存器：用于存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息。
我们上面运算器与控制器合起来，构成一个CPU。
CPU整体的基本结构
我们将标注上ALU 寄存器 CU 中断系统后是这个样子。
小结
以上是关于中央处理器——CPU的功能和基本结构的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
(计算机组成原理)第五章中央处理器-第一节：CPU的功能与基本结构（运算器和控制器等寄存器）