计算机组成结构—CPU的功能和基本结构

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目录

一、CPU的功能

 二、CPU的基本结构

1.运算器

2.控制器

一、CPU的功能

        中央处理器（CPU）由 运算器 和 控制器 组成。

        运算器负责数据加工，也就是对数据进行算术和逻辑运算；而控制器则需要完成计算机各部件之间的协调和控制，保障每一条指令按规定的执行步骤正确执行，还要处理各项紧急事件。

        计算机核心的功能就是自动执行一系列指令，这项工作主要由 CPU 中的控制器来完成。具体来说，指令的执行过程包括了 取指令、分析指令 和 执行指令 三个步骤。

• 取指令：控制器能够自动地从存储器中取出指令，并且按预定的顺序依次取下一条指令。这要求控制器可以自动形成要执行的指令地址，并发出取指命令将对应的指令从主存取到控制器中。
• 分析指令：首先，控制器需要分析指令需要完成什么操作，从而发出对应的操作命令；其次，控制器需要分析操作数的地址，计算出有效地址。
• 执行指令：根据分析出的 “操作命令” 和 “操作数地址”，控制器就可以形成操作控制信号序列， 通过对运算器、主存以及 I/O 设备的操作，执行每条指令。

        除此之外，控制器还必须能控制程序的输入和运算结果的输出，以及对总线（Bus）的控制，甚至需要处理一些运行中的异常情况和特殊请求。

        所以总结起来，CPU 的功能包括：

• 数据加工：对数据进行算术和逻辑运算。
• 指令控制：控制程序的顺序执行，完成取指令、分析指令和执行指令的操作。
• 操作控制：产生完成每条指令的一系列操作命令，把各种控制信号送往相应的部件，使这些部件按指令的要求进行工作。
• 时间控制：对各种操作加以时间上的控制，为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。
• 中断处理：对计算机运行中出现的异常情况和特殊请求进行处理。

 二、CPU的基本结构

        根据 CPU 的功能可以看出，数据的运算需要由运算器来完成，剩下的功能则由控制器完成。

1.运算器

        运算器需要对数据进行运算，所以核心部件是 算术逻辑单元（ALU），此外还有一系列的 寄存器 用来缓存数据、运算结果和状态。

        运算器中的寄存器主要有暂存寄存器（X）、累加寄存器（ACC）、通用寄存器组（GPRs）、程序状态字寄存器（PSW）等。

• 暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据。
• 累加寄存器（ACC）：用于暂存 ALU 的运算结果，可以作为加法运算的一个操作数再次输入 ALU。
• 通用寄存器组：通用功能的一组寄存器，主要用于存放操作数和地址信息。
• 程序状态字寄存器（PSW）：对于算术/逻辑运算指令或测试指令的运行结果，专门用一个寄存器 PSW 来保存各种状态信息，也叫 条件码寄存器。典型的条件码有溢出标志（OF）、符号标志（SF）、零标志（ZF）、进位标志（CF）等。

        这些寄存器对于程序员来说，除了暂存寄存器一般是透明的，其它都是可见的。

2.控制器

        控制器是计算机中负责协调控制的部件，主要功能就是取指令、分析指令、执行指令。

        控制器需要根据指令中操作码、指令的执行步骤以及当前状态字信息，来生成一系列对计算机各部件的控制信号（也叫做 “微操作”），这个专门的部分就叫做 “控制单元”（CU）。

        为了准确地取出指令，需要一个寄存器来保存下一条指令的地址，这就是 程序计数器（PC）；取出的指令同样也需要先保存下来再做分析，存放指令的寄存器就是 指令寄存器（IR），另外还需要一个 指令译码器（ID）来对指令操作码进行译码。最后，还需要有 中断系统 来处理异常情况和特殊请求。

        MAR 和 MDR 一般也会集成在控制器中。因此控制器内的寄存器主要有：

• 程序计数器（PC）：存放下一条指令的主存地址。
• 指令寄存器（IR）：存放取出的指令。
• 主存地址寄存器（MAR）：存放要访问的主存单元的地址。
• 主存数据寄存器（MDR）：存放要向主存写入或从主存读出的信息。

        这些寄存器的功能主要是控制指令的执行过程，因此大多数情况下对用户是透明（不可见）的。不过一般情况下计算机允许汇编程序员访问程序计数器（比如 x86 架构下的 IP），因此 PC 可以认为对汇编程序员来说是可见的。

        除此之外，CPU 中一般还会包含 高速缓存（Cache）和 内存管理单元（MMU），以及用于数据传输的内部数据总线和产生时序信号的时序电路。