计算机组成原理-CPU的功能和基本结构


CPU的功能

中央处理器CPU由控制器和运算器组成。

CPU的具体功能包括:

  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,把各种操作信号送往相应的部件,从而控制这些部件按指令的要求尽心动作。
  3. 时间控制。对各种操作加以时间上的控制。
  4. 数据加工。对数据进行算术和逻辑运算。
  5. 中断处理。对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理。

CPU的基本结构

CPU主要由运算器和控制器组成,

运算器主要负责对数据的加工,进行逻辑和算术运算等操作。

控制器负责协调并控制计算机各部件执行指令的顺序等操作,包括取指令、分析指令、中断等操作。

运算器的基本结构

运算器由算术逻辑单元(ALU)、通用寄存器组、暂存寄存器、累加寄存器(ACC)、程序状态寄存器(PSW)、移位器、计数器(CT)等所组成。

算术逻辑单元主要功能是进行算术/逻辑运算。

通用寄存器如AX、BX、CD、SP(堆栈指针,用于指示栈顶的地址)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,下图的通用寄存器AX中的AH表示高地址部分,AL表示地址部分。

ALU与寄存器之间的连线方式
  1. 使用专用数据通路方式;根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排线路,每个寄存器都有专门的导线与ALU相连。

    若直接用导线相连,为防止多个寄存器同时向ALU传输数据,可以用多路选择器或三态门来解决该问题。

    三态门解决

  2. CPU内部单总线方式:将所有寄存器输入和输出端都连接到一条公共通路上。

    该方法需要搭配暂存寄存器,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

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,PC由自增功能。
  2. 指令寄存器。当取出一条指令后,会将指令放到指令寄存器中,用来保存当前正在执行的指令。
  3. 指令译码器。将指令寄存器中操作码部分进行译码,然后向控制器提供特定的操作信号。
  4. 微操作信号发生器。根据译码器中的译码结果来确定接下来CPU要执行哪些操作。
  5. 时序系统。来产生各种时序信号,让微操作系统来确定先执行哪些操作。
  6. 存储器地址寄存器(MAR)。存放要访问主存单元的地址,
  7. 存储器数据寄存器(MDR)。存放向主存写入的信息或从主存读出的信息。

注:CPU内部程序计数器PC、程序状态寄存器PSW、累加器和通用寄存器组是对用户可见的,可供汇编程序员进行操作。


文章作者: LsWorld
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