计算机组成原理——CPU的功能和基本结构

5.1 CPU的功能和基本结构

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1.CPU的组成

• 程序计数器（PC）：
  • 存放即将执行指令的地址。
  • 顺序执行时，PC+“1”形成下条指令地址。在有的机器中，PC本身具有“+1”计数功能，也有的机器借助运算部件完成自增。
  • 需要改变程序执行顺序时，通常会根据转移类指令提供的信息生成转移目标指令的地址，并将其作为下条指令地址送PC。每个程序开始执行之间，总是把程序中第一条指令的地址送到PC中。
• 指令寄存器（IR）：
  • 用以存放现行指令。
  • 每条指令总是先从存储器中取出后才能在CPU中执行，指令取出后存放在指令寄存器中，以便送指令译码器进行译码。
• 指令译码器（ID）：
  • 对指令寄存器中的操作码部分进行分析解释，产生相应的译码信号提供给操作控制信号形成部件，以产生控制信号。
• 启停控制逻辑：
  • 脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的时钟脉冲，它是CPU时序的基准信号。
  • 启停控制逻辑在需要时能保证可靠地开放或封闭时钟脉冲，控制时序信号的发生与停止，并实现对机器的启动与停机。
• 时序信号产生部件：
  • 以时钟脉冲为基础，产生不同指令对应的周期、节拍、工作脉冲等时序信号，实现机器指令执行过程的时序控制。
• 操作控制信号形成部件：
  • 综合时序信号、指令译码信号和执行部件反馈的条件标志等，形成不同指令的操作所需要的控制信号。
• 总线控制逻辑：
  • 实现对总线传输的控制，包括对数据和地址信息的缓冲与控制。
  • CPU对于存储器的访问通过总线进行，CPU将存储访问命令（即读写控制信号）送到控制线，将要访问的存储单元地址送到地址线，并通过数据线取指令或者与存储器交换数据信息。
• 中断机构：
  • 实现对异常情况和外部中断请求的处理。

2.CPU的功能

• CPU的基本功能是取指令、分析指令和执行指令：
  • 取指令：
    • 控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能。
    • 要求控制器能自动形成指令的地址，并能发出取指令的命令，将对应此地址的指令取到控制器中。
  • 分析指令：
    • 首先分析指令要完成什么操作，即控制器发出什么操作命令。
    • 其次分析参与这次操作的操作数地址，即操作数的有效地址。
  • 执行指令：
    • 根据分析指令产生的操作命令和操作数地址的要求，形成操作控制信号序列，通过对运算器、存储器以及I/O设备的操作，执行每条指令。
• 总之，CPU必须具有以下功能：
  • 控制程序顺序执行
  • 产生完成每条指令所需的控制命令
  • 对各种操作加以时间上的控制
  • 对数据进行算术运算和逻辑运算

3.CPU的寄存器

• 用户可见的寄存器（在调用子程序钱，必须将所有用户可见的寄存器的内容保存起来）：
  • 通用寄存器：
    • 可由程序设计者指定许多功能，可用于存放操作数，也可作为满足某种寻址方式所需的寄存器。
    • 可作为机器用专用寄存器，比如基址寄存器、变址寄存器或栈指寄存器。
  • 数据寄存器：
    • 用于存放操作数，其位数应满足多数数据类型的数值范围。
  • 地址寄存器：
    • 用于存放地址，其本身可以具有通用性，也可以用于特殊的寻址方式。
  • 条件码寄存器：
    • 这类寄存器中存放条件码，条件码是CPU根据运算结果由硬件设置的位。
• 用户透明寄存器：
  • MAR：存储器地址寄存器，用于存放将被访问的存储单元的地址。
  • MDR：存储器数据寄存器，用于存放欲存入存储器中的数据或最近从存储器中读出的数据。
  • IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指令。
• ALU 外围还有另一些寄存器，这些寄存器用于 ALU 的输入 / 输出以及用于和 MDR 及用户可见寄存器交换数据。