计算机组成原理——中央处理器-CPU功能和基本结构（课程笔记）

说明

1. 博客作为笔记备份，不定时更新
2. 参考内容为《计算机组成原理（第3版）》唐朔飞 高等教育出版社；王道考研《计算机组成原理考研复习指导2023》
3. 文中的例题摘自王道考研《计算机组成原理考研复习指导2023》，大多是我个人认为较为典型的题目以及错题的部分整理

CPU功能和基本结构

1. CPU功能

1.1 概述

• CPU 由运算器和控制器组成。运算器负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，包括取指、分析指令、执行指令；运算器对数据进行加工

1.2 CPU的具体功能

• 指令控制：完成取指令、分析指令、执行指令的操作，即程序的顺序执行
• 操作控制：一条指令的功能往往由若干操作信号的组合来实现。CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令要求进行动作
• 时间控制：对各种操作加以时间上的控制。时间控制要求为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号
• 数据加工：对数据进行算术和逻辑运算
• 中断处理：对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理

2. CPU基本结构

2.1 CPU结构框图

2.2 运算器

• 功能：接收从控制器送来的命令并执行相应的动作，对数据进行加工和处理，是计算机对数据进行加工处理的中心
• 基本组成
  • 算术逻辑单元ALU：主要功能是进行算术/逻辑运算
  • 暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据，该数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。暂存寄存器对应用程序员透明
  • 累加寄存器ACC：是一个通用寄存器，用于暂存ALU运算的结果信息，可以作为加法运算的一个输入端
  • 通用寄存器组：例如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数和中间结果）和各种地址信息。SP是堆栈指针
  • 程序状态字寄存器PSW：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息，例如OF、SF、ZF、CF等。PSW中的这些位参与并决定微操作的形成
  • 移位器：对操作数或运算结果进行移位运算
  • 计数器：控制乘除运算的操作步数

2.3 控制器

• 功能：控制器的基本功能是取指、分析执行、执行指令，每条指令的执行是由控制器发出的一组微操作实现的。控制器是整个系统的指挥中枢
• 两种类型的控制器：硬布线控制器和微程序控制器
• 基本组成
  • 程序计数器PC：指出下一条指令在主存中的存放地址，CPU根据PC中的内容去主存中取指令。因程序中的指令通常是顺序执行的，因此PC有自增功能
  • 指令寄存器IR：保存当前正在执行的指令
  • 指令译码器：仅对操作码字段进行译码，向控制器提供特定的操作信号
  • 存储器地址寄存器MAR：存放要访问的主存单元的地址
  • 存储器数据寄存器MDR：存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息
  • 时序系统：产生各种时序信号，它们都由统一时钟（CLOCK）分频得到
  • 微操作信号发生器：根据IR、PSW的内容以及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种
• 工作原理：根据指令操作码、指令的执行步骤（微命令序列）和条件信号形成当前计算机各部件要用到的控制信号，计算机各硬件系统在这些控制信号的控制下协同运行，产生预期的结果

2.4 CPU的寄存器

• CPU的寄存器大致可分为两类：用户可见寄存器；控制和状态寄存器
• 用户可见寄存器
  • 通用寄存器：可用于存放操作数，也可作为满足某种寻址方式所需的寄存器
  • 数据寄存器：存放操作数，位数应该满足多数数据类型的数值范围，有些机器允许使用两个连续的寄存器存放双倍字长的值。还有些机器的数据寄存器只能用于保存数据，不能用于操作数地址的计算
  • 地址寄存器：存放地址，其本身可以具有通用性，也可用于特殊的寻址方式（例如段指针、栈指针等）
  • 条件码寄存器：存放条件码，它们对用户来说是部分透明的
• 控制和状态寄存器(在一些机器里，大部分这类寄存器对用户是透明的)
  • MAR：存储器地址寄存器，存放将被访问的存储单元的地址
  • MDR：存储器数据寄存器，存放欲存入存储器的数据或最近从存储器读出的数据
  • PC：程序计数器
  • IR：指令寄存器
  • MAR、MDR、PC、IR、CPU和主存可以交换信息

3. 例题

关于“n位CPU”

1. （$P_{201}6$）在所谓的n位CPU中，n指的是（）
   A. 地址总线线数 B. 数据总线线数 C. 控制总线线数 D. I/O线数
   解答：数据总线的位数与处理器位数相同，它表示CPU一次能处理的数据的位数，即CPU的位数
   错误原因：错选A

各种寄存器的位数

1. （$P_{202}11$）程序计数器的位数取决于（）
   A. 存储器的容量 B. 机器字长 C. 指令字长 D. 都不对
   解答：程序计数器中存放的是指令在主存中的地址，所以PC的位数与存储器地址的位数相等，而存储器地址取决于存储器的容量。选A
2. （$P_{202}12$）指令寄存器的位数取决于（）
   A. 存储器的容量 B. 机器字长 C. 指令字长 D. 存储字长
   解答：指令将寄存器存放当前正在执行的指令，所以其位数取决于指令字长。选C
3. （$P_{202}13$）CPU中通用寄存器的位数取决于（）
   A. 存储器的容量 B. 指令的长度 C. 机器字长 D. 都不对
   解答：通用寄存器用于存放操作数和各种地址信息等，其位数与机器字长相等，因此便于操作控制。选C
   说明：1~3题，通过各个寄存器中存放的内容来推断该寄存器的位数
4. （$2016$）某计算机的主存空间为4GB，字长为32位，按字节编址，采用32位字长指令字格式，若指令按字边界对齐存放，则程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）的位数至少分别是（）
   A. 30、30 B. 30、32 C. 32、30 D. 32、32
   解答：（1）首先IR中存放的是指令，其位数就是指令字长，即32位。（2）PC中存放的是指令的地址，因此要找到“定位存储器中每条指令所需的位数”。题中说“指令是按字边界对齐存放”，而该计算机的字长是32位，因此定位到一条指令至少需要$\frac{4GB}{32bit}=2^{30}$，即30位
   

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2022/7/20	增加了例题