CPU 组织

CPU 组织
1、中央处理器的功能和组成
1.1、CPU的功能
从程序运行的角度来看，CPU的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。指令流指的是CPU执行的指令序列，数据流指的是根据指令操作要求依次存储数据的序列
对指令流的控制包括：
指令流出的控制：实质上是对取指令的控制，CPU首先要给出指令的地址，并向存储器发出读命令
指令分析与执行的控制：CPU要对指令流中的每条指令进行分析解释，首先指出指令的操作性质、寻址方式并形成操作数地址，然后根据该指令的操作性质和操作数地址形成相应的操作控制信号序列，实现这条指令的功能
指令流向的控制：指令流向控制即下条指令地址的形成控制
对于冯诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的
2、CPU中的主要寄存器
CPU中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的原始数据、中间结果、最终结果以及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
（1）通用寄存器：
通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等
（2）专用寄存器
专用寄存器是专门用来完成某一种特殊功能的寄存器，CPU中至少有五个专用的寄存器
程序计数器（PC）：程序计数器又称指令计数器，用来存放正在执行的指令地址或接着要执行的下条指令地址
指令寄存器（IR）：指令寄存器用来存放从寄存器中取出的指令，当指令从主存取出暂存于指令寄存器之后，在执行指令的过程中，指令寄存器的内容不允许发生变化，以保证实现指令的全部功能
存储器数据寄存器（MDR）：存储器数据寄存器用来暂时存放有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，也暂时将它们存放在存储器数据寄存器中
存储器地址寄存器（MAR）：存储器地址寄存器用来保存当前CPU所访问的主存单元的地址。由于主存和CPU之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到主存的读写操作完成。当CPU与主存进行信息交换，无论是CPU向主存存/取数据时，还是CPU从主存中读出指令时，都要使用存储器地址寄存器和数据寄存器
状态标志寄存器（PSWR）：状态标志寄存器用来存放程序状态字，程序状态字的各位表征程序和机器运行的状态，是参与控制程序执行的重要依据之一。它主要包括两部分内容：一是状态标志，如进位标志、结果为零标志等，大多数指令的执行将会影响到这些标志位；二是控制标志，如中断标志、陷阱标志等
3、CPU的组成
CPU由运算器和控制器两大部分组成
控制器的主要作用：
从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置
对指令进行译码，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的操作
指挥并控制CPU、主存和I/O设备之间的数据流动方向
运算器的主要功能：
执行所有的算术运算、逻辑运算，并进行逻辑测试
2、控制器的组成和实现方法
控制器是计算机系统的指挥中心，它把运算器、存储器、I/O设备等部件组成一个有机的整体，然后根据指令的要求指挥全机的工作
2.1、控制器的基本组成
（1）指令部件
指令部件的主要任务是完成取指令并分析指令。指令部件包括：
程序计数器（PC）
指令寄存器（IR）
指令译码器（ID）
指令译码器又称为操作码译码器，暂存在指令寄存中的指令只有在其