中央处理器的组成与工作过程

1、一、中央处理器的基本功能和基本组成一、中央处理器的基本功能和基本组成 l 概述概述 中央处理器简称中央处理器简称 CPU（Central Processing Unit）。）。 CPU呈矩形或正方形，通过呈矩形或正方形，通过引脚引脚与主板相连。与主板相连。 CPU内部各单元之间信号传输的线路称为内部各单元之间信号传输的线路称为片内总线。片内总线。 CPU与主存储器和与主存储器和I/O设备之间信号传输的线路称为设备之间信号传输的线路称为 片外总线片外总线。 CPU的众多引脚包括：的众多引脚包括： 电源引脚（电源引脚（VCC、GND） 数据引脚数据引脚 若数据引脚有若数据引脚有 8 根，则可将其命

2、名为根，则可将其命名为D0/D1/D7； 若数据引脚有若数据引脚有16根，则可命名为根，则可命名为 D0/D1/D15，依，依 此类推。此类推。 地址引脚地址引脚 若地址引脚有若地址引脚有10根，则可将其命名为根，则可将其命名为 A0/A1/A9， 该该CPU的访存空间为的访存空间为 210 = 1K，依此类推。，依此类推。 为节省引脚，有时会将为节省引脚，有时会将 2 种不会同时起作用的功能种不会同时起作用的功能 复用复用在同一物理引脚上。在同一物理引脚上。 控制引脚控制引脚 常见的控制引脚有时钟常见的控制引脚有时钟CLK、读命令、读命令RD、写、写命令命令 WR、复位、复位RESET、总线

3、请求、总线请求HRQ、总线、总线允允 许许HLDA、中断请求、中断请求INTR、中断响应、中断响应INTA等。等。 l CPU 的基本功能的基本功能 CPU（计算机）工作的实质就是周而复始地执（计算机）工作的实质就是周而复始地执 行指令行指令，其基本功能包括取指令、分析指令、取数，其基本功能包括取指令、分析指令、取数 据、处理数据、写回结果。据、处理数据、写回结果。 (1) 取指令取指令 CPU根据根据PC给出的地址访问主存储器，取出给出的地址访问主存储器，取出 指令，将其存放至指令寄存器指令，将其存放至指令寄存器 IR，然后，然后PC加加1。 (2) 分析指令分析指令 CPU将将IR中的操作

4、码部分送入指令译码器进中的操作码部分送入指令译码器进 行译码行译码, 根据译码结果判断指令的功能、操作数的根据译码结果判断指令的功能、操作数的 寻址方式以及数据类型，形成源操作数和目的操寻址方式以及数据类型，形成源操作数和目的操 作数的有效地址。作数的有效地址。 (3) 取数据取数据 根据源操作数的有效地址访问主存，取出源根据源操作数的有效地址访问主存，取出源 操作数，源操作数将被送入处理器内部的数据寄操作数，源操作数将被送入处理器内部的数据寄 存器，如累加器存器，如累加器ACC。 (4) 处理数据处理数据 CPU将源操作数送入运算器，并根据指令译码将源操作数送入运算器，并根据指令译码 结果启

5、动运算器的相应操作对数据进行处理，处理结果启动运算器的相应操作对数据进行处理，处理 结果存至通用寄存器。结果存至通用寄存器。 (5) 写回结果写回结果 如果指令要求将结果写回主存，那么处理器将如果指令要求将结果写回主存，那么处理器将 根据目的操作数的地址，将目的操作数写入主存。根据目的操作数的地址，将目的操作数写入主存。 lCPU 的基本组成的基本组成 寄存寄存 器组器组 ALU 中断中断 系统系统 CU CPU 地址地址 引脚引脚 数据数据 引脚引脚 控制控制 引脚引脚 CPU 结构框图结构框图 CPU 的内部结构的内部结构 片片 内内 总总 线线 寄存寄存 器组器组 CU 算术和算术和 布

6、尔逻辑布尔逻辑 取反取反 移位移位 状态标志状态标志 ALU 控制信号控制信号 中断中断 系统系统 算术逻辑单元算术逻辑单元 ALU ALU采用组合逻辑电路采用组合逻辑电路 输入输出均可配备锁存器输入输出均可配备锁存器 Ki为操作命令信号，针对为操作命令信号，针对Ki的不同取值，的不同取值，Fi不同不同 运算结果可能影响各种标志位运算结果可能影响各种标志位 ALU Ai Bi Fi Ki 用户可见寄存器用户可见寄存器 通用寄存器通用寄存器 CPU 的寄存器组的寄存器组 存放操作数存放操作数 也可作某种寻址方式所需的寄存器也可作某种寻址方式所需的寄存器 数据寄存器数据寄存器存放操作数（满足各种数

7、据类型）存放操作数（满足各种数据类型） 两个寄存器拼接存放双倍字长数据两个寄存器拼接存放双倍字长数据 地址寄存器地址寄存器存放地址，其位数应满足最大的地址范围存放地址，其位数应满足最大的地址范围 针对某种寻址方式，如基址、变址、栈指针对某种寻址方式，如基址、变址、栈指 针、指令寻址针、指令寻址 控制寄存器控制寄存器 控制寄存器：用于控制控制寄存器：用于控制 CPU 的操作的操作 例如，对于取指令环节，数据流向（通路）为：例如，对于取指令环节，数据流向（通路）为： PCMARMEMMDRIR PC（程序计数器）存放当前正在执行指令的下（程序计数器）存放当前正在执行指令的下一一 条指令的地址（当前

8、指令地址条指令的地址（当前指令地址 +1）。）。 MAR（存储器地址寄存器）存放访存地址。（存储器地址寄存器）存放访存地址。 MDR（亦作（亦作MBR，存储器数据（缓冲）寄存器），存储器数据（缓冲）寄存器）， 预先存放欲与主存交换的数据。预先存放欲与主存交换的数据。 IR（指令寄存器）存放当前正在执行的指令。（指令寄存器）存放当前正在执行的指令。 其中其中 MAR、MDR、IR是用户（汇编程序员）不可是用户（汇编程序员）不可 见的；见的；PC是用户可见的。是用户可见的。 状态寄存器状态寄存器 程序状态字寄存器程序状态字寄存器PSW（标志寄存器）存放各（标志寄存器）存放各 条件标志条件标志 例如

9、符号标志例如符号标志 S，零标志，零标志 Z，溢出标志，溢出标志 V，进位，进位 标志标志 C 等等等等 每个条件标志用每个条件标志用 1 位来表示，可作为程序分支的位来表示，可作为程序分支的 依据依据 一条指令对于某一条件标志，有置一条指令对于某一条件标志，有置 1、清、清0、不、不 影响三种情况影响三种情况 用户可见用户可见 中断系统中断系统 所谓所谓“中断中断”，是指，是指CPU暂停当前程序的暂停当前程序的 执行，转而对某种突发事件或者异常情况进行执行，转而对某种突发事件或者异常情况进行 处理，处理完毕后又返回到原有程序的暂停处处理，处理完毕后又返回到原有程序的暂停处 继续执行的工作方式。继续执行的工作方式。 中断是现代计算机的一种极为重要的工作中断是现代计算机的一种极为重要的工作 方式。方式。 设计中断系统需要解决一系列相关问题。设计中断系统需要解决一系列相关问题。 对中断的详细讨论见第对中断的详细讨论见第9章。章。 控制单