深入理解计算机系统（3）——处理器体系结构

1、CPU的组成

传统上，CPU由控制器和运算器这两个主要部件组成。

随着集成电路技术的不断发展和进步，新型CPU纷纷集成了一些原先置于CPU之外的分立功能部件，如浮点处理器、高速缓存（Cache）等，在大大提高CPU性能指标的同时，也使得CPU的内部组成日益复杂化。

CPU主要组成部分的逻辑结构如图3-2所示：

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1.1、控制器

控制器是整个计算机系统的指挥中心。在控制器的指挥控制下，运算器、存储器和输入/输出设备等部件协同工作，构成了一台完整的通用计算机。

控制器根据程序预定的指令执行顺序，从主存取出一条指令，按该指令的功能，用硬件产生所需的带有时序标志的一系列微操作控制信号，控制计算机内各功能部件的操作，协调和指挥整个计算机完成指令的功能。

控制器通常由程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、时序发生器和操作控制器组成。其主要功能包括：

1. 从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置；
2. 对指令进行译码，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；
3. 指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间数据流动的方向。

1.2、运算器

运算器是计算机中用于实现数据加工处理等功能的部件，它接受控制器的命令，负责完成对操作数据的加工处理任务，其核心部件是算术逻辑单元(Arithmetic Logic Unit，ALU)。

相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。

运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器（AC）、数据寄存器（DR）和程序状态字寄存器（PSW）组成。它有两个主要功能：

1. 执行所有的算术运算；
2. 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。

1.2、寄存器

在CPU中至少要有六类寄存器：指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、数据寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、程序状态字寄存器（PSW）。

这些寄存器用来暂存一个计算机字，其数目可以根据需要进行扩充。

下面详细介绍这些寄存器的功能与结构。

1.数据寄存器（DR）

数据寄存器（Data Register，DR）主要作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站，用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异。数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向主存存入一个数据字时，也暂时将它们存放在数据寄存器中。

数据寄存器的作用是 ：

1、作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站；
2、弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差别；
3、在单累加器结构的运算器中，数据寄存器还可兼作操作数寄存器。

2.指令寄存器（IR）

指令寄存器（Instruction Register，IR）用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把该指令从主存读取到数据寄存器中，然后再传送至指令寄存器。

一条指令被划分为操作码和地址码2个字段。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（Instruction Decoder，ID）就是完成这项工作的。

指令译码器对来自指令寄存器的操作码部分进行译码，以产生操作性质的控制电位，并将其送到微操作控制线路上，在时序部件定时信号作用下，产生具体的操作控制信号。

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。

3.程序计数器（PC）

程序计数器（Program Counter，PC）用来指出下一条指令在主存储器中的单元地址。

在程序执行之前，首先必须将程序的首地址，即程序的第一条指令所在的主存单元地址送入PC。因此PC的内容即是从主存提取的第一条指令的地址。

当执行指令时，CPU能自动递增PC的内容，使其始终保持将要执行的下一条指令的主存地址，为取下一条指令做好准备。

但是，当遇到转移指令时，下一条指令的地址将由转移指令的地址码字段指定，而不是像通常那样通过顺序递增PC的内容来取得。

因此，程序计数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。

4.地址寄存器（AR）

地址寄存器（Address Register，AR）用来保存CPU当前所访问的主存单元的地址。

由于在主存和CPU之间存在操作速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来暂时保存主存的地址信息，直到主存的存取操作完成为止。

当CPU和主存进行信息交换，即CPU向主存存入/取出数据时，或者CPU从主存中读出指令时，都要使用地址寄存器和数据寄存器。

同样，如果我们把外围设备的设备地址作为像主存的地址单元那样来看待，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样要使用地址寄存器和数据寄存器。

5.累加寄存器（AC）

累加寄存器通常简称累加器（Accumulator，AC），是一个通用寄存器。

累加器的功能是：当运算器的算术逻辑单元(ALU)执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区，可以为ALU暂时保存一个操作数或运算结果。

显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。

1、Y86-64指令集体系结构

2、逻辑设计和硬件控制语言HCL

3、Y86-64的顺序实现

4、流水线的通用原理