挑战408——组成原理（20）——CPU的功能和组成

上一篇就刚刚好把指令的知识讲完了，原本应该写至少一篇指令系统刷题的。但是无奈，实习生活还是比较累的，为了质量，还是决定周末再写刷题版。

CPU的功能和组成

中央处理器（Control Processing Unit），是控制计算机自动完成取出指令跟执行指令的部件。是计算机的核心部件。
前面的概论我们知道，CPU主要是由运算器跟控制器组成。其中，运算器的功能是对数据进行加工，而控制器的功能是负责协调并控制各部件的指令序列（比如取指令，分析指令等等）。
CPU的具体功能包括：

• 指令控制
• 操作控制
• 时间控制
• 数据加工
• 中断处理

CPU通过下面的三种方式，指挥全机运作：

1. 按规定的操作执行（即程序的顺序执行）
   
2. 自动执行
   
3. 有秩序的执行
   

结合之前学过的指令系统知识，可以通过下面的视频来了解指令的执行过程。（csdn不能上传视频，去知乎看吧）。

CPU的基本结构

在计算机系统中，CPU由运算器跟控制器组成。

运算器

运算器主要接收从控制器处传来的命令，并执行相应的操作，对数据进行加工处理，主要以下面的几部分组成

• 算术逻辑单元（ALU）：主要进行算术/逻辑运算
• 暂存寄存器：用于暂存从主存读出来的数据，该数据不能放在通用寄存器上，对应用程序员透明。
• 累加寄存器（ACC）：一个通用寄存器组，用来暂存ALU的运算结果，当ALU执行算术和逻辑运算的时候，为ALU童工一个工作区（比如我们之前提到过的R1+R2 ->R1）
• 通用寄存器组：AX,BX,CX,DX.SP等等，用于存放操作数（包括源操作数，目的操作数以及中间结果）和各种地址信息。SP是堆栈指针，用于指向栈顶的地址。
• 程序状态字信息（PSW）: 用来表示各种工作状态信息跟中断情况。如下图所示：
  
• 移位器：对操作数或者运算结果进行以为操作
• 计数器：控制乘除运算的步数

控制器

控制器是整个系统的指挥中心，在其控制下，使运算器，存储器和输入输出设备等功能部件构成一个有机整体。其基本功能是执行指令。每条指令的执行是由控制器发出的一组微操做实现的。主要由以下几部分组成：

• 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是根据PC中的内容去取得指令的。
• 指令寄存器（IR）：用来保存从存储器中取出，正在执行的指令，在执行该指令的过程中，指令寄存器的内容不允许更改，以确保实现指令的全部功能。
• 指令译码器：对操作码字段进行译码，向控制器提供特定操作信号。
• 存储器地址寄存器（MAR）：用于存放将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/读出的信息。
• 时序系统：用于产生各种时序信号。由统一时钟分频所得。
• 微操作信号发生器：由IR,PSW的内容以及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号。

控制器的原理，是根据指令操作码，执行步骤，条件信号来形成当前计算机各部件所要的控制信号。

寄存器的可见性

CPU内部的寄存器大致可以分成两种;

1. 用户可见寄存器：用户可以通过程序去访问的寄存器（如通用寄存器，PSW, PC等等）。
2. 用户不可见寄存器：程序无法访问，在程序的执行过程中自动赋值（如MAR,MDR IR等等）

指令的执行过程

指令周期

指令周期：从取指令，分析指令，到执行完该指令所需要的全部时间，称为指令周期。也就是CPU完成一条指令的时间。

机器周期：也称为CPU周期，把一条指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期内完成一个基本操作，不同的指令可能包含不同数目的机器周期。通常它等于取指时间或者访存时间。
T周期：也称时钟周期或者节拍，是CPU操作的最基本的单位。在一个机器周期内，要完成若干个微操作，因而需要分成若干个时间段。所以也称为节拍T。节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作所需要的时间。下图说明了三者间的相互关系：

对于一些执行期间不需要访存的指令，比如Jump，X.,这是一条无条件转移指令，此时指令周期仅仅包含取指周期和执行周期。但是对于间接寻址指令，为了取操作数，需要先访问内存一次，取出有效地址后，再访问主存，取出操作数，所以这种操作还包括间址周期。当CPU采用中断方式实现主机跟I/O设备的信息交换的时候，如果有中断请求，则CPU进入中断响应阶段，此时又称为中断周期。这样，完整的指令周期为：

实际上，每个周期都有CPU在访存，只不过是访存的目的不同，分别为取指令，取EA，取操作数，保存断点。

指令的执行过程：

取指周期：根据PC中的内容，聪明和主存中取出指令代码，并放在IR中。（即CPU从何处取指，如何形成后续的指令）
间址周期：取操作数的有效地址
执行周期：根据IR中指令字的操作码，操作数，通过ALU操作产生结果。
中断周期：处理中断请求，将程序断点存入堆栈中，SP指示栈顶地址，则进栈操作是先秀海栈顶指针，后存入数据（那么出栈的操作我们前面说过）。

下面的视频是指令的执行过程：
指令的执行过程