CPU主要功能

CPU是取指令并执行指令的部件

CPU总体结构模型

运算部件

运算部件用于对操作数进行运算，主要是算术运算/逻辑运算

运算部件的基本组成如下：

缓存部件

缓存部件用于缓存从主存中读取的部分指令/数据 ，提高CPU从主存中读取指令/数据的效率，在CPU内部集成了多级缓存部件

寄存器组(堆)

寄存器用于存储各种用途的数据信息

部件选用：一般用小容量的多端口存储器来构成寄存器组，其中1个存储单元作为1个寄存器

1. 通用寄存器：多个

   • 通用寄存器有全局唯一地址，可通过地址码访问，可在机器指令中直接使用
   • 通用寄存器主要用于提供操作数、地址码、存放运算结果等

2. 暂存器

   • 暂存器的主要特点是：多个，内部专用，无需分配地址码，不能在机器指令中使用
   • 主要用于暂存产生的临时数据，以备在后续操作过程中使用

3. 指令寄存器（IR）

   • 指令寄存器只有1个，用于存放指令代码
   • 从存储器(或者指令缓存)中读取到指令以后，就直接存入到指令寄存器中

4. 程序计数器（PC）

   • 程序计数器仅有1个，用来指明指令在存储器中的存放位置，即存储单元的地址码

   【注】取指令结束后，PC保存的地址码自动修改，以指向下一条指令的存储单元，修改量取决于指令字长和存储器的编址单位

   

5. 程序状态字寄存器（PSW）

   程序状态字寄存器仅有1个，记录现行程序的运行状态和程序的工作模式

   • PSW - 特征位

     特征位也叫标志位，反映CPU的当前状态

     指令执行时，根据情况自动设置这些特征位，作为后续操作的判断依据，通常有5类：

     

   • PSW - 编程设定位

     PSW中某些位或字段可通过程序来设定，以决定程序的调试、对中断的响应、程序的运行模式等

     

6. 地址寄存器（MAR）

   • 地址寄存器只有1个，读写存储器时，先要定位存储单元，因此设置MAR来存放目标单元的地址码

   • 先将有效地址送入MAR，再启动后续的读写操作

7. 数据寄存器（MDR）

   • 数据寄存器只有1个，过渡性地存放CPU与主存之间交换的数据
   • 无论是从主存读取的数据，还是写入到主存的数据，都要经过MDR

8. 堆栈指针（SP）

   • 堆栈指针仅有1个，固定存放堆栈的栈顶单元的地址码

   • 根据这个地址码，去读写堆栈

   

【寄存器组 这部分的内容可以看我在 汇编专栏 中的 中央处理器CPU & 寄存器 这篇文章，对部分寄存器有详细介绍】

控制器

控制器主要用于：根据指令、时钟信号、外部信号等信息，产生各种控制信号(微命令)，以便控制各种功能部件协同工作，完成指令

根据产生微命令的方式，有两类控制单元：

1. 组合逻辑控制器

   组合逻辑硬件电路 → 控制信号

2. 微程序控制器

   微程序译码 → 控制信号

控制器的主要工作内容：循环取指、执行、处理异常

控制器可分为两类：

1. 硬布线控制器 (时序逻辑型) (硬件实现)
2. 微程序控制器 (存储程序型) (软件实现)

时序部件

时序部件用于确保指令按照正确的顺序和时间序列进行执行，并与其他组件进行正确的协调

时序信号

时序信号是周期、节拍、脉冲等频率型信号序列，产生时序信号的部件称为时序发生器或时序系统，由1个低频振荡器和倍频逻辑组成

低频信号振荡器：它是一个低频脉冲源，能输出固定频率的基准脉冲信号(外频)，作为系统时钟信号

系统时钟信号经过倍频放大以后，产生执行指令所需要的各种时序信号：

1. 节拍信号，即CPU时钟周期信号
2. 工作周期信号，即机器周期信号
3. 指令周期信号

• 指令周期包括若干(≥2)机器周期
• 机器周期包括若干(≥1)时钟周期