【计算机基础】CPU基本组成

电子计算机CPU基本组成

0.学习目标

在学习本文之前，需要读者了解冯诺伊曼结构的现代电子计算机的基本组成：运算器、控制器、存储器、输入与输出。这可能听起来略微陌生，因为这是较为原始的概念。如今，随着电子技术的发展，运算器、控制器及部分存储器都集成在一个芯片中——我们耳熟能详的CPU。因此，如今的计算机基本组成结构我们可以抽象成：CPU、存储器及I/O设备：

本文我们将学习CPU的基本组成原理。即便我们并不是直接参与硬件研发的工程师，但了解CPU结构及原理，多少总能为我们拓展视野。下面我们开始！

学习目标

• 学习并了解CPU的基本组成：ALU、CU、寄存器
• 学习并了解各部件的基本原理

参考教程：

• B站优秀翻译&搬运——计算机速成课

• Mooc哈尔滨工业大学计算机组成原理

• 《软件设计师教程》——胡圣明，诸华 主编.

注：
本文中出现的图片均来自参考教程，侵删

1.CPU 基本组成

中央处理器(Central Processing Unit)，即CPU。

1.1功能与组成概述

CPU的功能：

• 程序控制：重要职能，通过执行指令来控制程序的执行顺序
• 时间控制：对各种操作进行时间上的控制，对整个执行时间、操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都进行严格控制
• 操作控制：一条指令需要若干操作信号，CPU产生每条指令的操作信号，并将操作信号送往不同的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作
• 数据处理：根本任务，对数据进行逻辑运算、加工等处理。数据处理主要由ALU实现。

CPU基本组成
CPU主要由 运算器和控制器组成。为了存储临时变量以及部件之间进行数据通信，CPU也带有寄存器组以及内部总线等其他结构。

运算器基本组成

• 算术逻辑单元ALU
• 累加寄存器AC
• 数据缓冲寄存器DR
• 状态条件寄存器PSW

控制器基本组成

• 指令寄存器IR
• 程序计数器PC
• 地址寄存器AR
• 指令译码器ID

1.2 运算器各部件功能概述

• 算术逻辑单元ALU：
  Arithmetic and Logic Unit, ALU，
  负责算数运算与逻辑运算

• 累加寄存器AC：
  Accumulator register，简称累加器；
  通用寄存器，当ALU执行运算时，为ALU提供工作区；
  例如，ALU进行 a - b 运算，先将 a 暂时取出存放在AC，再从内存中取出 b ，然后执行 a - b 算出结果，将结果存放回AC中。运算的结果是放在AC中的。

• 数据缓冲寄存器DR:
  Data Register, DR，
  主要作用：作为CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站，以及缓冲;
  例如，在对内存进行读写时操作时，DR暂时存放内存的一条指令或一个数据，将不同时间段内读写的数据隔离;
  在单累加器结构的运算器中，DR还能兼作为操作数寄存器。

• 状态条件寄存器PSW:
  Program Status Word，PSW
  保存一些运算过程中产生的状态，以条件码保存，例如要进位保存一个（C），
  条件码内容主要分为 状态标志和控制标志
  例如：

  • • 运算结果进位标志（C）
  • • 运算结果溢出标志（V）
  • • 运算结果为0标志（Z）
  • • 运算结果为负标志（N）
  • • 中断标志（I）
  • • 方向标志（D）
  • • 单步标志等等；
      这些标志通常由一位触发器保存，通常，一个算数操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。

1.3 控制器各部件功能概述

• 指令寄存器IR
  Instruction Register，IR
  当CPU执行一条指令时，先把它从内存取到缓冲寄存器DR，再送入IR暂存，指令译码器，根据IR的内容产生各种微操作指令，控制其他组成部件工作，完成所需功能。

• 程序计数器PC
  Program Counter,PC
  具有寄存信息和计数两种功能，又称为指令计数器；
  程序执行有两种顺序：顺序执行，转移执行；
  在程序开始执行前，将程序的起始地址送入PC，在程序加载到内存时确定。执行指令时，CPU将修改PC的内容，使其的内容总是将要执行的下一条指令地址;

  • • 顺序执行：修改的地址只是简单地+1
  • • 转移执行：后继的指令地址根据当前指令地址加上一个位移量；或者根据转移指令给出的直接转移地址得到；

• 地址寄存器AR
  Address Register,AR
  保存当前CPU访问的内存单元地址；
  内存和CPU存在速度差异，需要AR保存地址信息，直到内存读写操作完成为止。

• 指令译码器ID
  Instruction Decoder,ID
  指令分为 操作码和 地址码两部分;
  指令译码器对指令中的操作码字段进行分析解释，识别该指令规定的操作，向操作控制器发出具体的控制信号，控制各部件工作，完成所需功能。

2.ALU 算术逻辑单元

算术逻辑单元（Arithmetic and Logic Unit），简称ALU。
ALU 是运算器的重要组成部件。

功能
负责算术运算与逻辑运算。

基本原理
ALU的算数计算功能，是由多个由门电路组成的电路实现的，例如，一个ALU里就有可以实现1+1的半加器：

然后我们可以通过半加器做出全加器，例如：

通过全加器，我们就可以实现一定精度范围内的加法运算了。其它绝大部分运算也是通过这些经过组合的门电路完成的。

至于逻辑运算，我们也可通过门电路来完成，例如：

基于以上示例的原理，我们就有了能实现算术运算与逻辑运算的ALU。

3.CU 控制单元

ControlUnit,CU

功能

控制器用于控制整个CPU的工作，决定计算机运行过程的自动化。

保证程序正确执行，处理异常事件。

一般包括：
指令控制逻辑，时序控制逻辑，总线控制逻辑 和 中断控制逻辑等几个部分。

指令控制逻辑要完成取指令、分析指令、执行指令的操作。这个过程可描述为：
取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址等步骤。

时序控制逻辑：要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号；
总线逻辑：多个功能部件服务的信息通路的控制电路
中断控制逻辑：用于控制各种中断请求，并根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给CPU处理

基本原理
控制器的基本原理依然是门电路，如图所示:

4.寄存器

功能
存储指令、数据及其它信息。

分为专用寄存器和通用寄存器。

运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器，其作用是固定的。通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途，数目因处理器不同有所差异。

基本原理
寄存器实际上是一种RAM，其原理也是门电路，例如：

至于其它存储器及存储介质，如ROM只读存储器、Flash、磁盘等等，虽然功能不同，材料与实现细节也不同，但也是基于门电路的，读者可自行查阅其它资料了解。

拓展
在计算机中，指令和数据都是以二进制的形式存储的，指令与数据以同等地位保存在存储器中。

指令分为操作码和地址码

• 操作码：指令序列号，告诉CPU需要执行哪一条指令
• 地址码：参与操作数的地址码