计算机组成原理 — CPU 的结构和功能

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大家好呀！我是小笙，本章我主要分享计算机组成原理的 CPU 的结构和功能知识，希望内容对你有所帮助！

CPU 的结构和功能

CPU 概述

CPU实质包括运算器和控制器两大部分（运算器的功能上述已经介绍：实现算术运算以及逻辑运算），以控制器的功能为重点来讲述

控制器概述

控制器负责协调并控制计算机各部件执行过程的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令和执行指令

• 取指令
• 分析指令
• 执行指令。发出各种操作命令
• 控制程序输入以及结果的输出
• 总线管理
• 处理异常情况和特殊情况

CPU 框架图

• 寄存器用于存储当前指令的地址
• 控制器 CU 用于控制指令（获取分析以及执行）
• 运算器 ALU 用于完成算术运算以及逻辑运算
• 中断系统主要用于处理异常的情况以及特殊的请求

CPU 寄存器

用户可见寄存器（通常CPU执行机器语言访问的寄存器为用户可见寄存器）

• 通用寄存器

  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

• 数据寄存器

  存放操作数（满足各种数据类型）

• 地址寄存器

  存放地址，也可以用于特殊的寻址方式 段取值 栈指针

• 条件码寄存器

  存放条件码，可作程序分支的依据 如：正、负、零、溢出以及进位等

控制和状态寄存器（一类寄存器用于控制CPU的操作或运算）

• 控制寄存器

  PC -> MAR -> M -> MDR -> IR （除 PC 外，其他用户均不可见）

• 状态寄存器

  PSW 寄存器 （存放程序状态字）

控制单元 CU

CU 产生全部指令的微操作命令序列

• 组合逻辑设计方法，为硬连线逻辑
• 微程序设计方法，为存储逻辑

指令周期

概述

指令周期：CPU 取出并执行一条指令所需要的全部时间

完成一条指令普遍需要：

• 取指、分析（取指周期）
• 执行 （执行周期）

每条指令的指令周期不同

带有中断周期的指令周期（复杂）

指令周期流程：取值 -> 间接 -> 执行 -> 中断

CPU的工作周期包括四个周期，分别是取值周期 - 间址周期 - 执行周期 - 中断周期，为了区别它们，在CPU内可设置4个标志触发器（状态 1 表示有效）

指令周期的数据流

1. 取指周期数据流

   

2. 间址周期数据流

   前提：取指周期结束，CU 便检查 IR 中的内容，以确定其是否有间址操作，如果需要间址操作，则 MDR 中指示形式地址的右 N 位将被送到 MAR

   

3. 执行周期数据流

   差异较多，下面章节详解

4. 中断周期数据流

   CPU 进入中断周期要完成一系列操作，其中 PC 当前的内容必须保存起来，以待执行完中断服务程序后可以