CPU

中央处理器（以下均简称为CPU）

 

• 概念：是计算机的主要设备之一，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。

    可类比为人处理一件事情，其中处理方式通过指令系统编码成各种指令代码，事件可理解为计算机软件中需要处理的数据。

CPU的结构：

 

 

• 控制器

控制器的组成：

1. 程序计数器（以下简称PC）
2. 指令寄存器（以下简称IR）
3. 指令译码器（以下简称ID）
4. 时序产生器▲
5. 操作控制器▲

控制器的主要功能：

1. 从（主存储器）内存中取指，并指出下一条指令在内存中的位置。
2. 对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号。
3. 指挥控制各器件间“数据流”的流动方向。

 

• 运算器

运算器的组成：

1. 算术逻辑单元（以下简称ALU）
2. 累加寄存器（以下简称AC）
3. 数据缓冲器
4. 状态寄存器

运算器的功能：

1. 执行所有的算术运算
2. 执行所有的逻辑运算

 

• 寄存器

寄存器的组成：

1. PC
2. 地址寄存器（AR）
3. 数据寄存器（DR）
4. IR
5. AC

CPU的功能：

• 指令控制（顺序控制）
• 操作控制
• 时间控制（时序控制）
• 数据加工

知识点：

    1.指令

•  指令是人为设定，通过一套编码系统使各种二进制变得有意义（机器语言）交付给计算机，由计算机加工处理某些数据达成某些目的。

注释：CPU所执行的指令，换句话说就是人类所发明的一套编码系统最终目的是处理信息（Data），使数据能够服务人类。

    当Users用计算机解决某个问题时，我们程序员为它编写程序来完成某项工程。

    2.程序

 

• 为使电子计算机执行一个或多个操作，按顺序设计的计算机指令的集合。
• 程序是一个指令序列，这个序列明确告诉计算机应该执行什么操作，在什么地方找到用来操作的数据。

    3.计算机工作过程

 

要想了解CPU首先需要计算机的工作过程，工作过程如下：

• Users打开程序
• 系统把程序的代码段（CS）和数据段（DS）送入寄存器（缓冲寄存器）中
• 控制器从存储器中取指令
• 控制器分析（通过指令译码器（ID））->执行指令（程序控制器）->为取下一条指令做准备（通过程序计数器（PC）来实现地址加一的操作）
• 取下一条指令，分析执行,如此重复操作,直至执行完程序中全部指令,便可获得全部指令

总结：计算机工作从Users打开计算机开始，CPU不断的循环的进行取指，译码，执行，取下一条指令的过程。

    4.代码段和数据段

• 代码段和数据段均指向一段内存单元。代码段存放控制器要执行的指令（代码），数据段存放Users需要处理的数据。

     5.在计算机中如何判断指令和数据

    在计算机中指令和数据没有任何区别，它们什么时候是指令什么时候是数据从时间和空间上进行区分：

• 从时间上：当控制器结合时序信号发出一条“取指令”的命令的时候，该命令从内存中取的就是指令。取指后进行译码分析后，送操作数到累加器阶段取出的就是数据。
• 从空间上：如果取出的代码是指令，指令通常都是送往指令寄存器（IR）然后译码分析送控制器。而取出的若是数据那么就是送往运算器，进行数据加工。

    通过时序信号来严格规定各种周期需要进行那些工作。体现了计算机的严密性。

     6.寄存器

用来暂存信息的贮存部件

为什么CPU内部要有寄存器这个东西？

• 首先应先知道一个概念，即CPU和主存储器是不同的材料做成，所以它们之间在速度上并不匹配。因此为了不使CPU在主存读写周期时无事可做，所以使用了寄存器。可以发现不管是在取指令还是送操作数都需要有寄存器。取指令需要地址寄存器，指令寄存器。送操作数需要累加器（PC）等等。

     7.操作控制器▲

各寄存器通过“数据通路”来传送信息。同时寄存器之间建立数据通路的任务，是由称为“操作控制器”的部件来完成。

    操作控制器的功能：

• 根据指令操作码和时序信号产生各种操作控制信号，以便正确建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。

    操作控制器的种类：

1. 硬布线控制器
2. 微程序控制器
3. 门阵列控制器

    8.时序产生器▲

计算机执行每条指令的时间都是以纳秒为单位，速度非常的快。所以每个动作的时间安排得非常严格，不能有任何差错。时序产生器应运而生，它的的作用就是对各种操作控制信号进行定时，以便进行时间上的约束。

归纳总结：CPU需要有寄存器，它们存放了CPU运行期间所需要的各类信息。还需要有ALU和ID它们对数据进行处理加工。还需要有操作控制器，它提供了用于操作的控制信号（“数据流”任何传递）。还需要有时序产生器，它使计算机真正有了时钟的概念。