初识中央处理器CPU

目录

 

一、CPU功能

1.控制器功能

2.运算器功能

3.功能执行顺序

4.其他功能

二、CPU结构图

1.CPU与系统总线

2.CPU内部结构

3.运算器中的寄存器组

4.控制器中的寄存器组

三、执行指令的过程

1.指令周期的基本概念

2.完整的指令周期流程

3.数据通路

4.指令周期的数据信息流

4.1取指周期数据信息流

4.2简址周期数据信息流

4.3执行周期数据信息流

4.4中断周期数据信息流

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一、CPU功能

(CPU包括运算器与控制器)

1.控制器功能

指令控制:控制器能自动的形成指令的地址，并能发出取指令的命令，将对应此地址的指令取到控制器中。

操作控制:取到指令之后，要产生完成每条指令的控制命令。

时间控制:控制命令产生后，需要对各条控制命令加以时间上的控制。

中断处理:处理异常情况和特殊情况的请求。

2.运算器功能

数据加工:实现算术运算与逻辑运算的功能。

3.功能执行顺序

指令控制->操作控制->时间控制->数据加工

在此同时总线管理与中断处理功能会持续对四个阶段进行管理

4.其他功能

CPU的工作过程就是不停的执行指令，计算机各个部分所进行的工作可以说都是由CPU根据相应的指令来启动。但因为CPU的速度太快，为了使CPU减少等待时间，甚至不参与计算机输入输出过程，通常才去程序中断和DMA的方式。

二、CPU结构图

1.CPU与系统总线

 

2.CPU内部结构

 

3.运算器中的寄存器组

暂存寄存器:用于暂时存放从主存中读取来的数据，这个数据不能放在通用寄存器中，否则会破坏其原有的内容。

累加寄存器(ACC):简称累加器,是一个通用寄存器。主要功能:当运算器的ALU单元执行算数或逻辑运算时，为ALU提供一个工作，累加寄存器也暂存ALU运算的结果。

通用寄存器:可以作为某种寻址方式的专用寄存器，主要用于放操作数(源操作数、目的操作数以及中间结果),常见通用寄存器有:AX,BX,CX,DX。

状态条件寄存器(PSW):又叫程序状态字寄存器,保存由算术指令和逻辑指令运行和测试的结果建立的各种条件码内容，例如运算结果进位标志A，运算结果溢出标志B、运算结果为0标志为C、运算结果为1的标志为D，这些标志通常由一位触发器来保存。

4.控制器中的寄存器组

程序计数寄存器(PC):

为了能够保证程序能够持续不断地执行，CPU必须采取程序计数器这一手段，通常程序计数器又称为指令计数器。在程序开始前，必须将它的起始地址，及程序的第一条指令的所在内存单元的地址送入PC。当执行指令时CPU会自动修改PC的内容，使其保存的总是将要执行的下一条指令地址。但是要注意JUMP类指令取出时，PC仍是先加1，因为此时JUMP指令还未执行，当加1后再执行跳转命令。因此程序计数器是具有寄存信息和计数两种功能。

指令寄存器(IR):

指令寄存器用来保存当前正在执行的指令（内容不可变），当执行一条指令时，先把它从内存取到数据缓冲寄存器中，然后传至指令寄存器。指令划分为操作码和地址码字段,是以二进制形式存储。 为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。指令译码器就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。

存储器数据寄存器(MDR):

主存数据寄存器(MDR)，与主存地址寄存器(MAR)帮助完成CPU和主存储器之间的通信，MDR暂存要被写入地址单元或者从地址单元读出的数据。即暂存从主存读入一条指令或数字，反之，写入前也要有MDR暂存。

存储器地址寄存器(MAR):

主要用于存放将被访问的存储单元的地址。

三、执行指令的过程

1.指令周期的基本概念

CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间。

 通常指令周期常常用若干机器周期来表示，机器周期又称CPU周期，

而一个机器周期又包含若干时钟周期(也称节拍、T周期、或CPU时钟周期，它是CPU操作的基本单位)

2.完整的指令周期流程

 

不同指令的指令周期不同:

3.数据通路

4.指令周期的数据信息流

4.1取指周期数据信息流

1.(PC)➡MAR
将要执行指令的地址放到地址缓冲寄存器
2.1➡R
发出读命令(固定写法)，但是这个也可以不写，
3.M(MAR)➡MDR
将要执行的指令从存储器中读到数据缓冲寄存器， 其中(MAR)表示地址缓冲寄存器中的内容，所以M(MAR)就表示在主存中此地址的内容，即欲执行指令本身.
4.(MDR)➡IR
将要执行的指令打入指令寄存器.
5.OP(IR)➡CU也写作OP(PC)➡CU
(IR)表示指令本身，OP(IR)表示指令的操作码，AD(IR)表示指令的地址码.
6.(PC)+1➡PC
形成下一条指令的地址.

4.2简址周期数据信息流

1. AD(IR)→MAR
   将指令字中的地址码（形式地址）打入地址缓冲寄存器.
2. 1→R
   发出读命令.
3. M(MAR)→MDR
   形成下一条指令地址.

4.3执行周期数据信息流

不同指令的执行周期不同，没有统一的数据流向。

4.4中断周期数据信息流

 中断:暂停当前任务去完成其他任务。

1.CU控制将SP减1，修改后的地址送入MAR.

记作:(SP)-1 -> SP,(SP) ->MAR

2.CU发出控制信号，启动主存做写操作.

记作:1 -> W

3.将断点(PC内容)送入MDR.

记作:(PC) -> MDR

4.CU控制将中断服务程序的入口地址

(由向量地址形成部件产生)送入PC.

记作:向量地址 -> PC