8.1-CPU结构（学习笔记）

Posted 2022-03-23 PacosonSWJTU

【README】

本文总结自bilibili《计算机组成原理（哈工大刘宏伟）》的视频讲解，非常棒，墙裂推荐；

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【1】CPU结构

Cpu的首要功能就是解释指令；功能列表如下：

• 1)    取指令：从内存中读取指令；
• 2)    分析指令：对指令的操作码部分进行解码；分析这条指令要完成什么功能，是指令集中的哪一条指令；
• 3)    执行指令： cpu控制器发出各种操作命令，由这些操作命令去控制相关部件去完成指令要求的操作；（这些操作命令有一定的先后顺序）；
• 4)    控制器控制参数输入及结果输出；
• 5)    总线管理： 对总线的控制权，使用权进行管理；
• 6)    处理异常情况和特殊请求： 在程序执行过程中，控制器能够对异常情况，或特殊请求进行及时处理；

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【2】cpu结构框图

【2.1】总线功能列表

1)    控制总线：双向，由cpu向各个部件发出的控制命令，或外部设备向cpu提出的请求以及外部设备的状态，可以通过控制总线来传输；
2)    数据总线：双向，由cpu向存储器或外设写出或读入数据；
3)    地址总线：单向， 由cpu发出，送给内存或外设接口；

【2.2】cpu内部结构

【2.2.1】寄存器

PC，程序计数器寄存器，存储要取出的指令的地址；
IR，指令寄存器，从内存中取出指令，被放入到IR寄存器中；

。。。其他寄存器；

【2.2.2】控制单元CU

操作控制和实际控制：这两部分需要控制单元CU，由控制单元对指令进行译码，译码之后，在给定时刻给出给定的操作命令；

【2.2.3】ALU（算术逻辑运算单元）：

算术运算，逻辑运算都是在ALU中进行计算中；
另外在运算过程中，还需要寄存器，如2个操作数可能都保存在寄存器中，或运算结果也需要输出到寄存器中；

【2.2.4】中断系统

还需要中断处理，所以需要中断系统；

refer2 计算机中断系统小结（cpu响应中断）_PacosonSWJTU的博客-CSDN博客_各中断源如何向cpu提出中断请求

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 【3】cpu的寄存器

 【3.1】用户可见寄存器

1）    通用寄存器：用于存放操作数，如8086cpu的AX，BX等；
2）    数据寄存器：存放操作数，如有保存整数的寄存器，也有保存浮点数的寄存器；如把ACC寄存器和MQ寄存器拼接在一起用于保存两个数相乘的积；
3）    地址寄存器：保存地址，如8086cpu中的段寄存器，如段基址，堆栈指针寄存器SP；
4）    条件码寄存器：存放条件码，根据条件码来判断是否要跳转执行指令；

补充：用户可见的寄存器指的是 用户在编写程序的过程中，可以使用这些寄存器的值；

【3.2】控制和状态寄存器

PC -> MAR -> M -> MDR ->IR  讲的是取指令的过程，其中

1. PC-程序计数器寄存器：保存了将要执行的下一条指令的地址；
2. MAR-主存（内存）地址寄存器：保存了访问内存（访存）的地址，从内存读出或写入内存某地址；
3. M：主存（内存）；
4. MDR-主存（内存）数据寄存器：保存了访问内存（访存）的数据，从内存的MAR指定的地址单元读取的数据，或写入到MAR指定的地址单元的数据；
5. IR：指令寄存器：存储要执行的指令；（而PC存储的下一条执行的地址）

步骤如下：

1. PC -> MAR ：PC（程序计数器寄存器）保存了下一条执行指令的地址，把下一条指令地址送入到MAR；
2. MAR -> M ：MAR中的指令地址送入到地址总线，地址总线再送入到主存；
3. M -> MDR：从主存的MAR指定的内存单元读取数据（指令）到MDR
4. MDR ->IR  ：把读取的数据（指令）从MDR 送入 IR；

写到这里，本文扩展性的给出取指令的步骤（干货）：

步骤	描述
1	PC把下一条指令的内存地址送入MAR；
2	MAR把地址送到地址总线，再由地址总线送到存储器；
3	CU把读控制信号送到控制总线上；再由控制总线送到存储器；
4	存储器执行读操作，把相应的数据送到数据总线；通过数据总线送到MDR； （这个时候，指令已经被取出到cpu了，并保持到MDR寄存器中）
5	MDR把指令送到IR中；
6	CU把PC加1（得到下一条指令的地址）；为下一条指令的取指操作做准备；

【补充】

状态寄存器 ：反映了指令执行结果的情况或计算机的软硬件状态；
PSW： 程序状态字寄存器（procedure state word）；

程序状态字是什么？
在中断或者是子程序调用过程中，为了能够让程序能够正确返回断点，返回断点后，还能够接着执行给定程序；在中断前或转子程序前，就需要保存程序的运行现场和断点，包括了程序运行的软硬件信息；这些软硬件信息就可以保存在程序状态字寄存器（它是一个大的寄存器）；

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【4】控制单元CU和中断系统  

【4.1】控制单元CU

1）控制单元作用：产生全部指令在执行时所需要的微操作命令序列；

任何一条指令的执行，它会在cpu中译码；
根据它是一条什么样的指令，或完成什么功能；要产生完成这些功能所需的微操作命令及序列（保证微操作命令的顺序）；

2）控制器的设计方式

• 组合逻辑设计： 通过硬连线逻辑，如精简指令集计算机 CISC；
• 微程序设计：存储逻辑；适用于复杂指令的设计；