计组——中央处理器

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于 2025-02-21 01:20:00 发布 · 2.7k 阅读

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中央处理器

中央处理器（CPU）是计算机的中心，主要由运算器和控制器两大部分组成。

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CPU的具体功能包括：

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
操作控制：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，从而控制部件按指令要求进行动作
时间控制：对各种操作加以时间上的控制，为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号
数据加工：对数据进行算术和逻辑运算
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

基本结构

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中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。其中，控制器的功能是负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，包括取指令、分析指令和执行指令；运算器的功能是对数据进行加工。

运算器

运算器计算机对数据进行加工处理的中心，接收从控制器送来的命令并执行相应的动作，对数据进行加工和处理，包含：

算术逻辑单元（ALU）：进行算术/逻辑运算
暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据（不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容），对应用程序员是透明的
累加寄存器（ACC）：一个通用寄存器，用于暂时存放ALU运算的结果信息，可作为加法运算的一个输入端
通用寄存器组：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
程序状态字寄存器（PSW）：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，状态信息参与并决定微操作的形成
移位器：对操作数或运算结果进行移位运算
计数器（CT）：控制乘除运算的操作步数

控制器

控制器是整个系统的指挥中枢，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，包含：

程序计数器（PC）：用于指出下一条指令在主存中的存放地址。CPU根据PC的内容去主存中取指令。因程序中指令（通常）是顺序执行的，所以PC有自增功能。
指令寄存器（IR）：用于保存当前正在执行的那条指令。
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。
存储器地址寄存器（MAR）：用于存放要访问的主存单元的地址。
存储器数据寄存器（MDR）：用于存放向主存写入的信息或从主存读出的信息。
时序系统：用于产生各种时序信号，它们都由统一时钟（CLOCK）分频得到。
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。

CPU内部寄存器大致可分为两类：用户可见的寄存器（通用寄存器组、PSW、PC，可编程）、用户不可见的寄存器（MAR、MDR、IR、暂存寄存器，不可编程）

指令执行过程

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指令周期

CPU从主存中取出并执行一条指令的时间称为指令周期，一个完整的指令周期应包括取指、间址、执行和中断4个周期。指令周期常用若干机器周期（CPU周期）来表示，一个机器周期又包含若干时钟周期（也称节拍、T周期，是CPU操作的最基本单位）。不同指令的指令周期可能不同，每个指令周期内的机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。

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4个工作周期都有CPU访存操作，只是访存的目的不同。取指周期是为了取指令，间址周期是为了取有效地址，执行周期是为了取操作数，中断周期是为了保存程序断点。

为了区别不同的工作周期，在CPU内设置4个标志触发器FE、IND、EX和INT，分别对应取指、间址、执行和中断周期，1 状态表示有效

取指周期

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取指周期的任务是根据PC中的内容从主存中取出指令代码并存放在IR中，数据流向：

PC①MAR②地址总线③主存
CU发出读命令④控制总线⑤主存
主存⑥数据总线⑦MDR⑧IR（存放指令）
CU发出控制信号⑨PC内容加1

间址周期

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间址周期的任务是取操作数有效地址，一次间址数据流向：

Ad(IR)（取出IR中存放的指令字的地址字段）①MAR②地址总线③主存
CU发出读命令④控制总线⑤主存
主存⑥数据总线⑦MDR（存放有效地址）

执行周期

执行周期的任务是取操作数，并根据 IR 中的指令字的操作码和操作数通过ALU操作产生执行结果。不同指令的执行周期操作不同，没有统一的数据流向。

数据流是根据指令要求依次访问的数据序列。

中断周期

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中断周期的任务是处理中断请求，为了能够恢复当前任务，需要保存断点到堆栈，数据流向：

CU控制将SP减1，SP①MAR②地址总线③主存
CU发出写命令④控制总线⑤主存
PC⑥MDR⑦数据总线⑧主存（程序断点存入主存）
CU（中断服务程序的入口地址）⑨PC

CPU在每条指令执行结束前，都要发出中断查询信号，若有中断请求，进入中断周期，响应中断。

执行方案

一个指令周期通常要包括几个执行步骤，每个步骤完成指令的一部分功能，几个依次执行的步骤完成指令的全部功能。出于性能和硬件成本等考虑，可以采用单指令周期、多指令周期、流水线3种不同的方案来安排指令的执行步骤。

1、单指令周期

对所有指令都选用相同的执行时间（指令周期）来完成，称为单指令周期方案。指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间，指令之间串行执行，可能会降低整个系统的运行速度。

2、多指令周期

对不同类型的指令选用不同的执行时间（指令周期）来完成，称为多指令周期方案。可选用不同个数的时钟周期来完成不同指令的执行，指令之间串行执行，需要更复杂的硬件设计。

3、流水线方案

通过在每个时钟周期启动一条指令，尽量让多条处在不同的执行步骤中的指令同时运行，称为流水线方案。追求在每个时钟脉冲周期完成一条指令的执行过程（理想情况下），指令之间可以并行执行。

数据通路

数据在功能部件之间传送的路径称为数据通路，包括数据通路上流经的部件。数据通路由控制部件控制，其功能是实现CPU内部的运算器与寄存器及寄存器之间的数据交换。数据通路的基本结构主要有CPU内部单总线方式、CPU内部多总线方式、专用数据通路方式三种。

1、CPU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通路上，结构比较简单，但数据传输存在较多的冲突现象，性能较低。

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注意：内部总线是指同一部件，如CPU 内部连接各寄存器及运算部件之间的总线；系统总线是指同一台计算机系统的各部件，如CPU、内存、通道和各类I/O接口间互相连接的总线。

2、CPU内多总线方式

将所有寄存器的输入端和输出端都连接到多条公共通路上，同时在多个总线上传送不同的数据，提高效率。

3、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，避免使用共享的总线，性能较高，但硬件量大。

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在执行完一个微操作后，CU和撤销相应的控制信号，让总线恢复空闲。

控制器

控制器是计算机系统的指挥中心，它根据指令操作码、指令的执行步骤（微命令序列）和条件信号来形成当前计算机各部件要用到的控制信号。计算机整机各硬件系统在这些控制信号的控制下协同运行，产生预期的执行结果。根据控制器产生微操作控制信号的方式的不同，控制器可分为硬布线控制器和微程序控制器。

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