中央处理器——CPU的功能和基本结构

￡神魔★判官ぃ 2023-01-22 03:58 124阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  CPU的功能
 *   *  运算器和控制器的功能
     *  运算器的基本结构
     *   *  问题探究
         *   *  解决方法1. 使用多路选择器
             *  解决方法2. 使用三态门
         *  运算器真正的基本结构
         *   *  优缺点
     *  控制器的基本结构
     *  CPU整体的基本结构
     *  小结

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

# CPU的功能 #

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是由若干操作信号的组合来实现的。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进行动作。
3.  **时间控制**。对各种操作加以时间上的控制。时间控制要为每条指令按时间  
    顺序提供应有的控制信号。
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。

## 运算器和控制器的功能 ##

*  运算器：对数据进行加工
 *  控制器  
    协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，  
    基本功能包括取指令、分析指令、执行指令
    
     *  取指令：自动形成指令地址；自动发出取指令的命令。
     *  分析指令：操作码译码(分析本条指令要完成什么操作)；
     *  产生操作数的有效地址。
     *  执行指令：根据分析指令得到的“操作命令”和“操作数地址”，形成操作信号控制序列，控制运算器、存储器以及I/O设备完成相应的操作。
     *  中断处理：管理总线及输入输出；处理异常情况(如掉电)和特殊请  
        求(如打印机请求打印一行字符)

更形象点，如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 运算器的基本结构 ##

运算器包括：算术逻辑单元与通用寄存器组。

1.  算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。
2.  通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP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。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。

例如下图：（当然没有这么简单，这只是个概图，肯定不是这么简单的了，大家可以先参考一下）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

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连接线路。

### 问题探究 ###

如果按照上图直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据？？？

那肯定是不行的呀，这样数据不就传输混乱的嘛，那么我们怎样解决呢？

#### 解决方法1. 使用多路选择器 ####

根据控制信号选择一路输出  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

#### 解决方法2. 使用三态门 ####

可以控制每一路是否输出  
如：

R0out为1时R$中的数据输出到A端，
    R0out为0时R$中的数据无法输出到A端

**优缺点：性能较高，基本不存在数据冲突现象，但结构复杂，硬件量大，不易实现。**

### 运算器真正的基本结构 ###

CPU采用内部单总线方式：将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

1.  算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。
2.  通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP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。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。
3.  暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。
4.  累加寄存器：它是一个通用寄存器，用于暂时存放ALU运算的结果信息，用于实现加法运算。
5.  程序状态字寄存器：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息，如溢出标志（OP）、符号标志（SF）、零标志（ZF）、进位标志（CF）等。PSW中的这些位参与并决定微操作的形成。
6.  移位器：对运算结果进行移位运算。
7.  计数器：控制乘除运算的操作步数。

#### 优缺点 ####

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 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

1.  程序计数器：用于指出下一条指令在主存中的存放地址。CPU就是根据PC的内容去主存中取指令的。因程序中指令（通常）是顺序执行的，所以PC有自增功能。
2.  指令寄存器：用于保存当前正在执行的那条指令。
3.  指令译码器：仅对操作码字段进行译码，向控制器提供特定的操作信号。
4.  微操作信号发生器：根据IR的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。  
    5.时序系统：用于产生各种时序信号，它们都是由统一时钟（CLOCK）分频得到。
5.  存储器地址寄存器：用于存放所要访问的主存单元的地址。
6.  存储器数据寄存器：用于存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息。

我们上面运算器与控制器合起来，构成一个CPU。

## CPU整体的基本结构 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
我们将标注上ALU 寄存器 CU 中断系统后是这个样子。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

## 小结 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

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