CPU功能和组成

CPU的功能

• 指令控制

  • 控制程序按照顺序执行

• 操作控制

  • 传送不同的信号

• 时间控制

  • 各种操作的同步

• 数据加工

  • 算数逻辑运算

• 中断处理

  • 对异常情况和特殊请求的处理

CPU的基本组成

控制器与运算器

• 控制器

  • 由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器、操作控制器和时序产生器组成

• 运算器

  • 由算数逻辑单元ALU、累加寄存器AC、数据缓冲寄存器DR和状态条件寄存器PSW组成

重要的寄存器

• 数据缓冲寄存器DR

  • 存放从cache读出的字或来自外部接口的字或ALU运算结果

  • 写数据cache时也先用DR暂存

  • 用来作为ALU运算结果和通用寄存器之间信息传送时时间上的缓冲

  • 补偿CPU和内存、外设之间速度的差别

• 指令寄存器IR

  • 用来保存当前正在执行的一条指令

  • 指令的操作码会流向指令译码器，译码后即可向控制器发出信号

• 程序计数器PC

  • 也叫指令计数器。用来保存下一条指令的地址

  • 程序开始执行前先把程序的第一条指令所在地址置入PC

  • CPU会自行修改PC的值

• 地址寄存器AR

  • 用来保存当前处理器访问的数据cache中的单元地址

• 通用寄存器R0-R3

  • 不同的计算机的通用寄存器数量不同。可以几十上百个。教学举例通常使用四个

  • 为ALU提供暂存数据的工作区

  • 其中的累加寄存器AC暂存ALU的运算结果

• 状态条件寄存器PSW

  • 根据算数结果、逻辑指令等信息得到了状态条件

  • 包括运算结果进位标志C，运算结果溢出标志V，运算结果为0表示Z，最算结果为负标志N

  • 每个标志位由一个触发器保存

  • 保存中断和系统工作状态等信息

寄存器详细解释

1. 数据寄存器

数据寄存器（Data Register，DR）又称数据缓冲寄存器，其主要功能是作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站，用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异。

数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向主存存入一条指令或一个数据字时，也将它们暂时存放在数据寄存器中。

数据寄存器的作用是 ：

（1）作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站；

（2）弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差异；

（3）在单累加器结构的运算器中，数据寄存器还可兼作操作数寄存器。

2. 指令寄存器

指令寄存器（Instruction Register，IR）用来保存当前正在执行的一条指令。

当执行一条指令时，首先把该指令从主存读取到数据寄存器中，然后再传送至指令寄存器。

指令包括操作码和地址码两个字段，为了执行指令，必须对操作码进行测试，识别出所要求的操作，指令译码器（Instruction Decoder，ID）就是完成这项工作的。指令译码器对指令寄存器的操作码部分进行译码，以产生指令所要求操作的控制电位，并将其送到微操作控制线路上，在时序部件定时信号的作用下，产生具体的操作控制信号。

指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。

3. 程序计数器

程序计数器（Program Counter，PC）用来指出下一条指令在主存储器中的地址。

在程序执行之前，首先必须将程序的首地址，即程序第一条指令所在主存单元的地址送入PC，因此PC的内容即是从主存提取的第一条指令的地址。

当执行指令时，CPU能自动递增PC的内容，使其始终保存将要执行的下一条指令的主存地址，为取下一条指令做好准备。若为单字长指令，则(PC)+1，若为双字长指令，则(PC)+2，以此类推。

但是，当遇到转移指令时，下一条指令的地址将由转移指令的地址码字段来指定，而不是像通常的那样通过顺序递增PC的内容来取得。

因此，程序计数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。

4. 地址寄存器

地址寄存器（Address Register，AR）用来保存CPU当前所访问的主存单元的地址。

由于在主存和CPU之间存在操作速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来暂时保存主存的地址信息，直到主存的存取操作完成为止。

当CPU和主存进行信息交换，即CPU向主存存入数据/指令或者从主存读出数据/指令时，都要使用地址寄存器和数据寄存器。

如果我们把外围设备与主存单元进行统一编址，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样要使用地址寄存器和数据寄存器。

5. 累加寄存器

累加寄存器通常简称累加器（Accumulator，AC），是一个通用寄存器。

累加器的功能是：当运算器的算术逻辑单元ALU执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区，可以为ALU暂时保存一个操作数或运算结果。

显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。

6. 程序状态字寄存器

程序状态字（Program Status Word，PSW）用来表征当前运算的状态及程序的工作方式。

程序状态字寄存器用来保存由算术/逻辑指令运行或测试的结果所建立起来的各种条件码内容，如运算结果进/借位标志（C）、运算结果溢出标志（O）、运算结果为零标志（Z）、运算结果为负标志（N）、运算结果符号标志（S）等，这些标志位通常用1位触发器来保存。

除此之外，程序状态字寄存器还用来保存中断和系统工作状态等信息，以便CPU和系统及时了解机器运行状态和程序运行状态。

因此，程序状态字寄存器是一个保存各种状态条件标志的寄存器

操作控制器和时序产生器

数据通路: 各寄存器传递信息的通路

时序产生器: 对各种操作信号进行时间上先后顺序的控制

操作控制器: 为数据通路的建立提供各种操作信号. 操作信号提供的依据是指令操作码和时序信号, 主要有三种类型

• 时序逻辑型：硬布线控制器

• 存储逻辑型：微程序控制器

• 混合型：前两者的组合

1. 硬布线控制器

硬布线控制器，它是采用时序逻辑技术来实现的，其操作控制信号形成部件是由门电路组成的复杂树形网络。这种方法是分立元件时代的产物，以使用最少器件数和取得最高操作速度为设计目标。 硬布线控制器的最大优点是速度快，但是时序、控制信号形成部件的结构不规整，使得设计、调试、维修较困难，难以实现设计自动化。

2. 微程序控制器

微程序控制器是采用存储逻辑来实现的，也就是把微操作信号代码化，使每条机器指令转化成为一段微程序并存入一个专门的存储器(控制存储器)中，微操作控制信号由微指令产生。这是我们学习的重点。 微程序控制器的设计思想和时序逻辑设计思想截然不同。它具有设计规整、调试、维修以及更改、扩充指令方便的优点，易于实现自动化设计，已成为当前控制器的主流。但是，由于它增加了一级控制存储器，所以指令执行速度比组合逻辑控制器慢。

3. 混合型

这种控制器称为PLA控制器，它是吸收前两种的设计思想来实现的。