26考研——中央处理器_CPU 的功能和基本结构（5）

408答疑

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一、CPU 的功能和基本结构

CPU 的功能

• 中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。
  • 其中，控制器的功能是负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列；
  • 运算器的功能是对数据进行加工。
• CPU 的具体功能包括：
  • 指令控制：完成取指令（也称取指）、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制。
  • 操作控制：产生完成一条指令所需的操作信号，把各种操作信号送到相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求正确执行。
  • 时间控制：严格控制各种操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序。
  • 数据加工：对数据进行算术和逻辑运算。
  • 中断处理：对运行过程中出现的异常情况和中断请求进行处理。

CPU 的基本结构

在计算机系统中，CPU 主要由运算器和控制器两大部分组成，如下图所示。

也可将 CPU 分为数据通路和控制部件两大组成部分

运算器

• 运算器主要由算术逻辑单元（ALU）、暂存器、累加寄存器（ACC）、通用寄存器组（GPRs）、程序状态字（PSW）寄存器、移位寄存器、计数器（CT）等组成。
• 主要功能是根据控制器送来的命令，对数据执行算术运算（加、减、乘、除）、逻辑运算（与、或、非、异或、移位、求补等）或条件测试（用于设置 ZF、SF、OF 和 CF 等标志位，作为条件转移的判断条件）。

控制器

• 控制器主要由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、时序电路和微操作信号发生器等组成。主要功能是执行指令，每条指令的执行是由控制器发出的一组微操作实现的。

• 控制器的工作原理是，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。计算机整机各硬件系统在这些控制信号的控制下协同运行，产生预期的执行结果。

• 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。

CPU 的寄存器

CPU 中的寄存器按汇编语言（或机器语言）程序是否可访问，可分为两类，如下图所示：

• 用户可见寄存器：可对这类寄存器编程，以通过使用这类寄存器减少对主存储器的访问次数，如通用寄存器组（含基址/变址寄存器）、程序状态字寄存器、程序计数器；
• 用户不可见寄存器：对用户是透明的，不可对这类寄存器编程，它们被控制部件使用，以控制 CPU 的操作，如存储器地址寄存器、存储器数据寄存器、指令寄存器、暂存寄存器、累加寄存器、移位寄存器。

运算器中的寄存器

1. 通用寄存器组（GPRs）：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，如 AX、BX、CX、DX、SP 等。
   • 在指令中要指定寄存器的编号，才能明确是对哪个寄存器进行访问。
   • SP 是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。
2. 累加寄存器（ACC）：它是一个通用寄存器，用于暂时存放 ALU 运算的结果。
3. 移位寄存器（SR）：不但可用来存放操作数，而且在控制信号的作用下，寄存器中的数据可根据需要向左或向右移位。
4. 暂存寄存器：用于暂存从数据总线或通用寄存器送来的操作数，以便在取出下一个操作数时将其同时送入 ALU。暂存寄存器对应程序员是透明的（不可见）。
5. 程序状态字（PSW）寄存器：保留由算术/逻辑运算指令或测试指令的运行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。每个标志位通常由一位触发器来保存，这些标志位组合在一起称为程序状态字。

控制器中的寄存器

1. 程序计数器（PC）：用于指出欲执行指令在主存储器中的存放地址。
   • 若 PC 和主存储器均按字节编址，则 PC 的位数等于主存储器地址位数。
   • CPU 根据 PC 的内容从主存储器中取指令，然后送入指令寄存器。
   • 指令通常是顺序执行的，因此 PC 具有自动加 1 的功能（这里的“1”是指一条指令的字节数）；当遇到转移类指令时，PC 的新值由指令计算得到。
2. 指令寄存器（IR）：用于保存当前正在执行的指令，IR 的位数等于指令字长。

八、参考资料

鲍鱼科技课件

b站免费王道课后题讲解:

网课全程班:

26王道考研书

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九、总结