CPU 的功能和基本结构

一、功能

• CPU 的功能主要有指令控制、操作控制、时间控制、数据加工和中断处理这几个方面的功能。

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

• 一条指令的功能往往由若干操作信号的组合来实现；CPU 管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送到相应的部件，从而实现这些部件按指令的要求进行动作。

3）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。

4）数据加工

• 对数据进行算术和逻辑运算。

5）中断处理

• 对计算机运行过程出现的异常情况和特殊请求进行处理。

二、基本结构

• 中央处理器主要由运算器和控制器两大部分组成：
  

1、运算器

• 运算器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，是计算机对数据进行加工处理的中心，主要由算术逻辑单元（ALU）、暂存寄存器、累加寄存器（ACC）、通用寄存器组、程序状态字寄存器（PSW）、移位器、计数器（CT）等组成。

1）算术逻辑单元：

• 主要功能是进行算术/逻辑运算。

2）暂存寄存器：

• 用于暂存从主存读来的数据，该数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。暂存寄存器对于应用程序员是透明的。

3）累加寄存器：

• 是一个通用寄存器，用于暂时存放 ALU 运算的结果信息，可以作为加法器的一个输入端。

4）通用寄存器组：

• AX、BX、CX、DX、SP 等，用于存放操作数和各种地址信息等。SP 是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。

5）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（OF）、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。

6）移位器：

• 对操作数或运算结果进行移位运算。

7）计数器：

• 控制乘除运算的操作步数。

2、控制器

• 控制器是整个系统的指挥中枢，在控制器的控制下，运算器、存储器和输入输出设备设备等功能部件构成一个有机的整体，根据指令的要求指挥全机协调工作。控制器的基本功能是执行指令，每条指令的执行是有控制器发出的一组微操作实现。
• 控制器有硬布线控制器和微程序控制器两种类型。
• 控制器由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、存储器地址寄存器（MAR）、存储器数据寄存器（MDR）、时序系统和微操作信号发生器等组成。

1）程序计数器：

• 用于指出下一条指令在主存中的存放地址，通常具有自增功能，即(PC)+1 。

2）指令寄存器：

• 用于保存当前正在执行的指令。

3）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。

4）存储器地址寄存器：

• 用于存放要访问的主存单元的地址。

5）存储器数据寄存器：

• 用于存放向主存写入的信息或主存读出的信息。

6）时序系统：

• 用于产生各种时序信号，由统一时钟（CLOCK）分频得到。

7）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，产生当前控制整个计算器系统所需要的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。
• 控制器的工作原理：根据指令操作码、指令的执行步骤（微命令序列）和条件信号来形成当前计算机各部件要用到的控制信号。

3、寄存器的种类

• CPU 内部寄存器大致可以分为两类：一类是用户可见的寄存器，可对这类寄存器编程，如通用寄存器组、程序状态字寄存器；另一类是用户不可见的寄存器，对用户是透明，不可对这类寄存器编程，如存储器地址寄存器、存储器数据寄存器、指令寄存器。

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