【评测-计算机系统构成及硬件基础知识】-1-中央处理器

计算机系统

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中央处理器

中央处理器（CPU，Central Processing Unit）是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心和控制核心。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

中央处理器主要包括运算器（算术逻辑运算符，ALU，Arithmetic Logic Unit）、控制器和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。它与内部存储器（Memory）和输入/输出（I/0）设备合称为电子计算机三大核心部件。

冯·诺依曼体系结构

1. 计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示
2. 顺序执行程序：计算机运行过程中，把要执行的程序和处理的数据首先存入主存储器（内存），计算机执行程序时，将自动地并按顺序从主存储器中取出指令一条一条地执行，这一概念称作顺序执行程序。
3. 计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

运算器

运算器：（arithmetic unit）计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件（ALU）。

计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。与Control Unit共同组成了CPU的核心部分。

控制器

控制器是整个计算机的指挥中心，控制和协调整个计算机的动作，控制通常需要程序计数器，指令寄存器，指令仪器，定时与控制电路，脉冲源和中断共同完成。

中央处理器各组件如下所示：

1. 程序计数器（PC）：存放下一条指令的地址。
2. 指令寄存器（IR）：中央处理器即将执行的操作码表存放处。
3. 指令译码器（ID）：将操作码解码，告诉中央处理器该做什么。
4. 定时与控制电路（PLA）：产生各种微操作控制信号。
5. 标志寄存器（FR）：记录运算器的重要状态或特征，例如溢出，结果为0等，每一位表示一个特征，典型应用是作为跳转指令的判断条件。
6. 堆栈和堆栈指针：堆栈可以是一组寄存器或存储器内的特定区域，堆栈顶部的指针称为堆栈指针。

寄存器组

专用寄存器：有特定的功能和用途，例如程序计数器，标志寄存器等都为专用寄存器。

通用寄存器：功能由程序指令决定，常见应用为放置计算的中间结果，减少对存储器的访问次数。通常寄存器宽度是和运算器的位数相一致的。

CPU的结果如下图所示：

时序和控制方式

时序：通常把CPU执行指令的各个微操作遵循的时间顺序称为时序。时序图是形象标识信号线上信息变化的时间序列的图形。

控制方式：

组合逻辑控制

组合逻辑控制是使用专门的逻辑电路，实现由硬件连线法和可编程逻辑阵列两种。

硬件连线法：最直接，用较少的组件实现最快的速度，但如果要更改，只能重新设计。

可编程逻辑阵列：采用低成本大规模集成电路方式。

劣势：组合逻辑控制灵活性很差，在复杂指令系统计算机总难以处理不断增加的复杂指令。

优势：使用电子组件少，采用精简指令集的计算机中发挥了很大的作用。

微过程控制

概念

• 微程序：微程序对应一条机器指令，若干个微指令序列形成一段微程序。微指令又可以细分成若干个微操作，控制内存是存放微程序的地方。
• 微操作：最基本的操作，可分为兼容性微操作和不兼容性微操作，区别在于能否在一个CPU周期内并行执行。兼容性微操作可以在一个CPU周期内并行执行，不兼容性微操作不可以。
• 微指令格式：

                           

前半部分存放对各种控制门进行激活或关闭的控制信息，后半部分是后续微指令的地址，实现了数据结构中的单相列表。

优势

• 控制的灵活性好，许多中央处理器都采用微过程控制方式。