计算机组成原理之CPU的功能和组成部分

计算机组成原理中Ac和Acc都指的是累加寄存器

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计算机系统硬件基本组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

其中运算器、控制器等部件统称为中央处理单元（Central Processing Unit,CPU）

CPU是硬件系统的核心，主要用于数据的加工处理、逻辑运算、控制功能

储存器是计算机系统中的记忆设备，分为内部储存器和外部储存器

内部储存器：速度快，容量小，一般用于存放临时程序。

外部储存器：速度慢，容量大，一般用于长期储存数据或程序。

输入输出设备合称为外部设备，输入用预处理输入的数据和各种命令，输出设备用于输出计算机输出的结果。

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中央处理单元（CPU）

1、功能

程序控制：通过指令控制程序的执行顺序。（**CPU的重要功能**）

操作控制：将CPU接收到的指令拆分为不同操作信号分发给对应的部件上完成指定的功能

时间控制：对在CPU上执行的任务进行时间控制，执行的顺序已经执行的时间进行严格控制

数据处理： 对输入的数据进行对应处理。(**最根本的功能**)

异常处理： 对系统内外出现的中断(异常)作出响应，并进行对应的处理

2、组成部分

CPU主要由运算器，控制器，寄存器，内部总线等部件组成。(详见：软件设计师第五版P2图1-1)

​1) 运算器

​               运算器由**算术逻辑单元(Arithmetic and Logic Unit, ALU), 累加寄存器， 数据缓冲寄存器和状态条件寄存器**等组成。主要功能是执行算术运算和逻辑运算

​               1 .  算术逻辑单元(ALU)

​                   运算器最重要的的组成部件，负责处理数据，进行算数运算和逻辑运算

​               2 .  累加寄存器(AC)

​                   一个通用的寄存器，为**ALU**提供一个**工作区**，当ALU接收到一个运算时，会先将一部分数据暂放在AC中，再从内存储存器中取出另一部分数据和AC中的数据进行运算，**最后运算的结果**将会**存放在AC**中，所以运算器中至少需要一个累加寄存器

​               3 .  数据缓冲寄存器(DR)

​                   一个数据中转站，在对内存储器进行读/写操作时，用DR暂时存放读/写的一条指令或一个数据字，将不同时间段内读/写的数据隔离开来。主要作用：作为CPU和内存，外部设备之间数据传送的中转站，作为数据的缓冲，避免速度过快导致异常。在**单累加器结构的运算器中**，数据缓冲寄存器还可以兼作为操作数寄存器。

​               4 . 状态条件寄存器(PSW)

​                   保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，如运算结果进位标志(C)，运算结果溢出标志（V)，运算结果为零标志(Z)，运算结果为负标志(N)，中断标志(I)，方向标志(D)和单步标识等。这些标志位通常分别由 **1位触发器保存**，保存了当前指令完成之后的状态，通常，**一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作则产生一个判决**。

​ 2) 控制器

​ 控制器用于控制整个CPU的工作，决定来计算机运行过程的自动化。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：取指令， 分析指令， 执行指令 (取指令， 指令译码， 按指令执行，形成下一条指令地址)
 

​               1. 指令寄存器(IR)

​                   接收到指令后，从内存储器取到缓冲寄存器中，再放入IR暂存， 指令译码器根据IR的内容产生各种微操作指令，控制其他组成部件的工作

​               2. 程序计数器(PC)

​                   具有寄存信息和计算两种功能，**又称为指令计数器**， 会记录CPU执行指令的数量，同时会存放下一次CPU执行的指令，**每次执行完一次指令后CPU会自动修改PC中的数据**，以保持总是将要执行的下一条指令的地址。程序的执行分为顺序执行和转移执行。顺序执行就是正常的执行情况，当遇到转移执行时，后继的指令的地址是更具当前指令的地址加上一个向前或向后转移的位移量的到，或者根据转移指令给出的直接转移的地址的到

​               3.  地址寄存器(AR)

​                    用于存放当前CPU所访问的内存单元的地址。由于内存和CPU存在操作速度上的差异，所以需要使用AR来保持地址信息，知道内存的读/写操作完成为止

​               4. 指令译码器(ID)

​                   指令包含操作码和地址码两部分，ID就是对操作码中的字段进行分析解释，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，控制个部件工作，完成所需功能

​               5 .  时序，总线，中断逻辑控制

​                   时序控制逻辑要为每台指令按时间顺序提供应有的控制信号。总线逻辑是为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

多核CPU

​ 多核即在一个单芯片上面集成两个甚至更多个处理器内核，其中每个内核都有自己独立的部件，其完整性和单核处理器内核相比完全一致

​ 主要特点：可以满足用户多任务处理的需求