中央处理器——CPU的功能和基本结构
文章目录
- CPU的功能
- 运算器和控制器的功能
- 运算器的基本结构
- 问题探究
- 解决方法1. 使用多路选择器
- 解决方法2. 使用三态门
- 运算器真正的基本结构
- 优缺点
- 控制器的基本结构
- CPU整体的基本结构
- 小结
CPU的功能
- 指令控制。完成取指令、分析指令和执行指令的操作,即程序的顺序控制。
- 操作控制。一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。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的要求进行动作。 - 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。
运算器和控制器的功能
运算器:对数据进行加工
控制器
协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列,
基本功能包括取指令、分析指令、执行指令- 取指令:自动形成指令地址;自动发出取指令的命令。
- 分析指令:操作码译码(分析本条指令要完成什么操作);
- 产生操作数的有效地址。
- 执行指令:根据分析指令得到的“操作命令”和“操作数地址”,形成操作信号控制序列,控制运算器、存储器以及I/O设备完成相应的操作。
- 中断处理:管理总线及输入输出;处理异常情况(如掉电)和特殊请
求(如打印机请求打印一行字符)
更形象点,如下图:
运算器的基本结构
运算器包括:算术逻辑单元与通用寄存器组。
- 算术逻辑单元:主要功能是进行算术/逻辑运算。
- 通用寄存器组:如AX、BX、CX、DX、SP等,用于存放操作数(包括源操作数、目的操作数及中间结果)和各种地址信息等。SP是堆栈指针,用于指示栈顶的地址。
例如下图:(当然没有这么简单,这只是个概图,肯定不是这么简单的了,大家可以先参考一下)
专用数据通路方式:根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接线路。
问题探究
如果按照上图直接用导线连接,相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据???
那肯定是不行的呀,这样数据不就传输混乱的嘛,那么我们怎样解决呢?
解决方法1. 使用多路选择器
根据控制信号选择一路输出
解决方法2. 使用三态门
可以控制每一路是否输出
如:
R0out为1时R$中的数据输出到A端,
R0out为0时R$中的数据无法输出到A端
优缺点:性能较高,基本不存在数据冲突现象,但结构复杂,硬件量大,不易实现。
运算器真正的基本结构
CPU采用内部单总线方式:将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上。
- 算术逻辑单元:主要功能是进行算术/逻辑运算。
- 通用寄存器组:如AX、BX、CX、DX、SP等,用于存放操作数(包括源操作数、目的操作数及中间结果)和各种地址信息等。SP是堆栈指针,用于指示栈顶的地址。
- 暂存寄存器:用于暂存从主存读来的数据,这个数据不能存放在通用寄存器中,否则会破坏其原有内容。
- 累加寄存器:它是一个通用寄存器,用于暂时存放ALU运算的结果信息,用于实现加法运算。
- 程序状态字寄存器: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,如溢出标志(OP)、符号标志(SF)、零标志(ZF)、进位标志(CF)等。PSW中的这些位参与并决定微操作的形成。
- 移位器:对运算结果进行移位运算。
- 计数器:控制乘除运算的操作步数。
优缺点
结构简单,容易实现,但数据传输存在较多冲突的现象,性能较低。
控制器的基本结构
- 程序计数器:用于指出下一条指令在主存中的存放地址。CPU就是根据PC的内容去主存中取指令的。因程序中指令(通常)是顺序执行的,所以PC有自增功能。
- 指令寄存器:用于保存当前正在执行的那条指令。
- 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。
- 微操作信号发生器:根据IR的内容(指令)、PSW的内容(状态信息)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。
5.时序系统:用于产生各种时序信号,它们都是由统一时钟(CLOCK)分频得到。 - 存储器地址寄存器:用于存放所要访问的主存单元的地址。
- 存储器数据寄存器:用于存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息。
我们上面运算器与控制器合起来,构成一个CPU。
CPU整体的基本结构
我们将标注上ALU 寄存器 CU 中断系统后是这个样子。
小结
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