计算机基础之CPU架构

算法之Redis集群CRC16算法一文有提到寄存器，今天就来唠唠寄存器与CPU架构。

电子计算机由中央处理器CPU、内部存储器（简称内存）和输入输出设备（简称IO设备）组成。

CPU是计算机的核心。CPU负责解释并执行计算机命令、产生各种信号、令各部件协调工作，使整个系统构成一个有机整体。
MPU---集成在芯片上的CPU，称为微处理器，简称MPU。
MPU总体功能上由运算器、控制器、寄存器组构成。

CPU与内存图​​​​​​

• 运算器完成各种运算，包括加减乘除等算数运算和与或非等逻辑计算。
• 控制器负责整个系统的协调。
• 寄存器是CPU内部临时存放数据的部件。用于存放操作数或运算结果，存储速度比内存更快，可以把数据通过内部总线送往运算器进行运算，或者接受来自运算器的结果。充分利用CPU的内部寄存器可以加快程序的执行速度。 内部结构图

控制器

控制器由程序计数器（PC，Program Counter）、指令寄存器（IR，Instruction Register）、指令译码器（ID，Instruction Decoder）、时序产生器（Timing Generator）、操作控制器（Control Unit）组成。

1. 指令寄存器IR，是用来存放当前正在执行的的一条指令，存放的内容来自于数据寄存器（DR，Data Register）。当一条指令需要被执行时，先要把它从内存取到数据寄存器，然后再送到指令寄存器IR中。
2. 指令译码器ID，在计算机执行一条指定的指令时，必须首先分析这条指令的操作码是什么，以决定操作的性质和方法，然后控制计算机的其他各部件协同完成指令表达的功能，这中间的分析工作就是指令译码器ID完成的。
3. 程序计数器PC，用来存放下一条要执行指令的地址，它与存储器（内存）之间有一条直接通路。执行指令时，首先需要根据程序计数器PC中存放的指令地址，将指令由内存取到指令寄存器IR，完成“取指令”的操作。程序计数器PC本身具有自动加1的功能，可以自动给出下一条指令的地址，如此循环，执行每一条指令。
4. 时序产生器，类似于“时间作息表”，给计算机各部分提供工作所需的时间标志，一般是利用定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔来实现。
5. 操作控制器，根据指令所需完成的操作和信号，发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象，完成指令的执行。

        控制器工作原理是①按照程序计数器所指出的指令地址，从内存中取出一条指令到指令寄存器IR；②指令译码器ID对指令进行分析；③操作控制器根据指令的功能向有关部件发出控制命令，执行控制指令的操作。完成操作之后，程序计数器加1，再重复执行上述操作。

控制器执行指令的逻辑顺序

运算器

运算器，一般最少包括3个寄存器和1个算术逻辑单元(ALU)，现代计算机内部往往设有通用寄存器组。

寄存器，一种有限存储容量的高速存储部件，可用来暂存指令、数据和位址。寄存器有很多种类，一般涉及到四则运算的有3类，ACC（Accumulator）为累加器，MQ（Multiplier-Quotient Register）为乘商寄存器，X为操作数寄存器，3类寄存器在完成不同运算时，所存放的操作数类别也各不相同。

关于乘积高位和乘积低位的概念，以十进制为例，百位就是十位的高位，十位是百位的低位。两个16位数相乘，结果可能会有32位，那左半部分的16位就是乘积高位，存储到ACC中，右半部分的16位就是乘积低位，存储到MQ中。
算术逻辑单元（ALU，Arithmetic and Logic Unit），是算术运算和逻辑运算的部件。算术运算包括加、减、乘的整数运算，逻辑运算是与、或、非和异或等逻辑操作，还有移位、比较和传送等操作。
移位运算，将一个字符向左或向右移动位，或是浮动特定位，包含带符号延伸和无符号延伸，在程序中应用很广泛。

寄存器

通用寄存器

• AX--Accumulator累加器。                                                                                                  

       算术运算的主要寄存器，用于存放操作数或运算结果。对外设操作的指令都使用AX存放数据。用累加器进行的操作可能需要更少时间。累加器可用于乘、除、输入/输出等操作，使用频率很高。

• BX--Base Register基地址寄存器。                                                                                 

        用于存放操作数的偏移地址。可作为存储器指针使用。

• CX--Count Register计数寄存器。                                                                                           

        用于循环指令、移位指令及串操作指令的技术控制。在循环和字符串操作时，用来控制循环次数；在位操作中，当移多位时，用CL来指明移位的位数。

•  DX--Data Register数据寄存器。                                                                                           

        在乘法运算中，与AX累加器组合在一起存放双字型数据。在对外设操作的指令中，DX数据寄存器还用于存放外设端口地址。

• SI--Source Index源变址寄存器。                                                                                           

        在串操作指令中用于存放源操作数的偏移地址。

• DI--Destination Index目的变址寄存器。                                                                                 

        在操作指令中用于存放目的操作数的偏移地址。

• BP--Base Pointer栈基地址寄存器。                                                                                       

        用于存放堆栈中操作数的偏移地址。

• SP--Stack Pointer栈顶指针。                                                                                                 

        用于记载栈顶的当前位置（偏移地址）。

        上述8个为16位通用寄存器，可以存放1个字型（字节型x字节型=字型）、2个字节数据。其中，累加器AX、基地址寄存器BX、计数寄存器CX、数据寄存器DX，每一个可以拆分成高位部分和低位部分两个8位寄存器使用。

标志寄存器

• FLAG/PSW--标志寄存器也称程序状态字（Program Status Word）。                                 

        共16位，主要用于存放当前程序智行的状况和运算结果的特征。

1、条件标志位
①CF---进位标志Carry Flag。
    记录加法运算的进位值，或者，减法运算的错位置。
②PF---奇偶标志Parity Flag。
    记录字节型运算结果中有奇数个1还是偶数个1。
③AF---辅助进位标志Auxiliary Flag。
    记录加/减法运算中后4位向前有无进/借位。
④ZF---零标志Zore Flag。
    记录运算结果是否位0。
⑤SF---符号标志Sign Flag。
    记录运算结果的正负情况。
⑥OF---溢出标志Overflow Flag。
    记录运算结果是否超出带符号数的表示范围。
2、控制标志位
①TF---陷阱标志/单步中断允许标志/跟踪标志Trap Flag。
    表示系统当前是否允许单步中断。
②IF---外中断屏蔽标志/中断标志Interrupt Flag。
    表示系统当前是否允许可屏蔽外中断。
③DF---方向标志Direction Flag。
   表示串操作按增量方向还是按减量方向进行。

段寄存器组

①DS---数据段段地址寄存器。
②ES---附加段段地址寄存器。
③SS---堆栈段段地址寄存器。
④CS---代码段段地址寄存器，或称指令段段地址寄存器。

指令指针

指令指针的代号是IP，是16位寄存器。专门用于存放下一条指令所在的偏移地址。与代码段段地址寄存器CS配合，以确定程序的下一条指令在内存的哪个字节。