CPU 的基本组成

微处理器的出现得益于集成电路的发展，将控制器和运算器集成在一个芯片上，称为中央处理器（CPU）。

CPU 从逻辑上可以分为 3 个模块：

控制单元
运算单元
存储单元

这 3 部分由 CPU 的片内总线连接起来。片内总线，指计算机各芯片内部传送信息的通道。

控制单元（控制器）

控制单元是 CPU 的指挥控制中心，主要由 PC 程序计数器、指令寄存器 IR（Instruction Register）、指令译码器 ID（Instruction Decoder）和操作控制器 OC（Operation Controller）组成。控制单元工作时，PC 根据程序依次从存储器中取出一条条指令并暂存在 IR 中，通过 ID 分析指令的内容，以确定应该进行什么操作，然后通过 OC 按照确定的时序，向相应的部件发出微操作控制信号。OC 中主要包括节拍脉冲发生器、控制矩阵、时钟脉冲发生器、复位电路和启停电路等控制逻辑。

PC 程序计数器：又叫 PC 寄存器（Program Counter Register），本质是指令地址寄存器（Instruction Address Register）。存放当前正在执行的指令的地址或即将要执行的下一条指令的地址。有两种方式形成指令地址：一是顺序执行通过程序计数器 +1 得到下一条指令的地址；二是跳跃执行通过跳转类指令得到下一条指令的地址。

IR 指令寄存器（Instruction Register）：区别于指令地址寄存器，是存放当前正在执行的指令。以便在指令执行的过程中控制完成一条指令的全部功能。

ID 指令译码器：对指令的操作码（OPCODE）进行解析，并产生相应的控制型号。

脉冲源及启停线路：脉冲源产生一定频率的脉冲作为 CPU 的时钟脉冲，是 CPU 工作周期的基准信号。而启停线路则保证了可靠地送出或封锁完整的时钟脉冲。

时序控制信号形成部件：在 CLK 时钟的作用下，根据当前正在执行的指令的需要，产生对应的时间控制信号，并根据被控功能部件的反馈信号调整时序控制信号。

运算单元（运算器）

运算单元是可以执行算术运算（e.g. 加减乘除）和逻辑运算（e.g. 与或非、位移、比较）。运算单元所进行的全部操作都由控制单元发出的控制信号指挥，运算单元是单纯的执行部件。

定点运算部件：由逻辑运算部件（ALU）、若干个寄存器、移位电路、计数器和门电路组成。其中 ALU 主要完成加减法算术运算及逻辑运算。
浮点运算部件：由阶码运算部件和尾数运算部件组成。阶码部分仅执行加减法运算，尾数部分则可执行加减乘除运算。

存储单元（寄存器组和片内缓存）

存储单元是 CPU 暂存数据的地方，保存着等待处理的数据，或是已经处理过的数据。CPU 访问寄存器的速度比访问主存储器的速度更快，采用寄存器，可以减少 CPU 访问内存的次数，从而提高工作速度。但因为受到芯片面积和集成度的限制，寄存器组的容量不会很大。寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。专用寄存器的作用是固定的，寄存相应的数据。而通用寄存器的用途则更加广泛，并可由程序员规定其用途。

寄存器由多个触发器（Flip-Flop）或锁存器（Latches）组成的简单电路，触发器和锁存器是两种原理不同的数字电路组成的逻辑门，属于数字电路领域。N 个触发器或锁存器就可以组成一个 N Bit 的寄存器，能够保存 N 为数据。我们常说的 64 位 Intel CPU，其寄存器就是 64 位的，所以其最大的直接寻址空间就为 264 bit。需要注意的是，并不是说寄存器是 64 位的，那么该 CPU 只支持使用 264 bit 的存储器空间，因为 CPU 除了支持直接寻址方式之外，还支持基址寄存器寻址方式，实现了基于内存分页的地址寻址方式，寻址空间得到了巨大的提升。

CPU 的工作原理

控制单元在时序脉冲的作用下，从程序入口将第一条指令的地址写入 PC 程序计数器（本质是寄存器），控制单元将 PC 程序计数器的指令地址送到地址总线上，CPU 就将这个地址指向的指令读到 IR 指令寄存器，再通过 ID 指令译码器进行译码，了解指令的操作内容和操作数。对于执行指令过程中所需要用到的操作数，会将操作数的地址码也送到地址总线上，CPU 就将这个地址指向的数据读取到寄存器组中暂存起来。最后 OC 操作控制器发出控制型号到运算单元，由运算单元完成对数据的加工处理。然后 PC 程序计数器自增，周而复始，一条一条指令执行下去，直到停电为止。

将过程简化为下述步骤：

取指令
分析指令
执行指令
修改指令计数器

上述步骤的执行期间还可能会穿插着：

控制程序和数据的输入与结果输出：根据程序的内容或人工干预，控制单元在适当的时候向输入/输出设备发出相应的指令来完成 I/O 功能。
对异常情况和某些请求的处理：在特定的时刻（异常中断、输入/输出中断），由相应的部件或设备向 CPU 发出中断请求信号或 DMA 请求信号。
- 中断请求信号：待 CPU 执行完当前指令后，响应该中断请求，中止当前执行的程序，转而执行中断程序。待中断程序执行完后，再回到原程序继续执行下去。
- DMA 请求信号：待 CPU 完成当前机器周期的操作后，暂停工作，让出总线给 I/O 设备。待完成 I/O 设备和存储器之间的数据传输之后，CPU 从暂时中止的机器周期开始继续执行原程序的指令。

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