5.1 CPU的功能和组成-吴学涯

1、计算机的工作过程就是计算机执行程序的过程程序是一个指令序列明确告诉计算机应该执行什么操作在什么地方能够找到用来操作的数据一旦把程序装入主存储器，计算机就自动执行取出指令和执行指令的任务专门用来完成此项工作的计算机部件称为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）做成单片集成电路的CPU称微处理器（Microprocessor）早期的CPU通常是为大型、特定的应用而定制的已经让位于开发可大规模生产的通用处理器这种标准化趋势，随着集成电路的普及而大大加速CPU的小型化和标准化，大大增加了这些数字器件在现代生活中的应用范围远远超出了专用运算机器这一有限的应用现代微处理器已经

2、随处可见从汽车到手机，甚至儿童玩具CPU控制并执行指令与计算机的其他功能部件进行信息交换控制这些功能部件的操作CPU工作过程编写程序，把程序同数据预先保存到主存储器中计算机工作时，按顺序逐条取出指令，分析指令，执行指令，自动转到下一条指令计算机一条一条执行指令，实现预先设计的程序控制，直到程序规定的任务完成为止1）程序控制 2）操作控制 3）时间控制 4）数据加工程序控制就是控制指令的执行顺序程序是指令的有序集合指令的相互顺序不能任意颠倒，必须严格按照程序规定的顺序执行保证计算机按一定顺序执行程序是CPU的首要任务操作控制就是控制指令进行操作一条指令的功能往往由若干个操作信号的组合来实现CPU

3、管理并产生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操作时间控制就是对各种操作实施定时控制各种指令的操作信号和指令的执行过程受到严格定时只有这样，计算机才能有条不紊地工作数据加工就是对数据进行算术和逻辑运算完成数据的加工处理，是CPU的根本任务传统上，CPU由控制器和运算器这两个主要部件组成新型CPU集成了一些原先置于CPU之外的分立功能部件如浮点处理器、高速缓存（Cache）等大大提高CPU性能指标，也使CPU的内部组成日益复杂化FLASH演示控制器是整个计算机系统的指挥中心在控制器的指挥控制下，运算器、存储器和输入/输出设备等部件协同工作，构成一台完整的

4、通用计算机控制器根据程序预定的指令执行顺序，从主存取出一条指令，按照该指令的功能，用硬件产生带有时序标志的一系列微操作控制信号控制计算机内各功能部件的操作协调和指挥整个计算机实现指令的功能控制器的组成程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、时序发生器、操作控制器控制器的主要功能从主存取出一条指令，指出下一条指令在主存中的位置对指令译码，产生相应的操作控制信号，启动规定动作指挥并控制CPU、主存和输入/输出设备之间数据流动的方向运算器是计算机中用于实现数据加工处理功能的部件接受控制器的命令，完成对操作数据的加工处理任务其核心部件是算术逻辑单元ALU相对控制器而言，运算器接受控

5、制器的命令而进行动作即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的所以是执行部件运算器的组成算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）、数据寄存器（DR）、程序状态字寄存器（PSW）运算器主要功能执行所有的算术运算执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试在CPU中至少要有六类寄存器指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、数据寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、程序状态字寄存器（PSW）这些寄存器用来暂存一个计算机字其数目可以根据需要进行扩充数据寄存器（Data Register，DR）又称数据缓冲寄存器用来暂存从主存读出（或向主存存入）的一条指令或一个数据字数据寄存器

6、的作用作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差异在单累加器结构的运算器中，还可兼作操作数寄存器指令寄存器（Instruction Register，IR）用来保存当前正在执行的一条指令当执行一条指令时，首先把该指令从主存读取到数据寄存器中，然后再传送至指令寄存器指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入指令译码器（Instruction Decoder，ID）对指令寄存器的操作码部分进行译码，向操作控制器发出操作控制信号程序计数器（Program Counter，PC）用来指出下一条指令在主存储器中的地址，具有寄存信息和计数两种功能在程

7、序执行前，将程序的首地址，即程序第一条指令所在主存单元的地址送入PC当执行指令时，CPU自动递增PC的内容，使其始终保存将要执行的下一条指令的主存地址单字长指令(PC)+1PC；双字长指令(PC)+2PC当遇到转移指令时，下一条指令的地址由转移指令的地址码字段指定地址寄存器（Address Register，AR）用来保存CPU当前所访问的主存单元的地址由于主存和CPU间存在操作速度差异，必须使用地址寄存器暂存主存的地址信息，直到主存存取操作完成为止当CPU和主存进行信息交换时，要使用地址寄存器和数据寄存器如果把外设与主存单元进行统一编址，那么当CPU和外设交换信息时，同样要使用地址寄存器和数

8、据寄存器累加寄存器简称累加器（Accumulator，AC），是一个通用寄存器累加器的功能当运算器的ALU执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区，可以为ALU暂存一个操作数或运算结果显然，运算器中至少要有一个累加寄存器程序状态字（Program Status Word，PSW）是一个保存各种状态条件标志的寄存器保存由算术/逻辑指令运行或测试的结果所建立起来的各种条件码内容运算结果进/借位标志（C）、溢出标志（O）、为零标志（Z）、为负标志（N）、符号标志（S）等这些标志位通常用1位触发器来保存保存中断和系统工作状态等信息以便CPU和系统及时了解机器和程序运行状态1微操作与数据通路2操作控

9、制器3时序发生器微操作（Microoperation）控制器在实现一条指令的功能时，总是把每一条指令分解成时间上先后有序的一系列最基本、最简单、不可再分的操作控制动作这种最基本、最简单、不可再分的操作称为微操作数据通路（Data Path）寄存器之间传输信息的通路控制信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器在数据通路中，微操作通过自身的控制作用和彼此间的密切配合，使指令流、数据流等信息流按预定路径流动，实现指令功能每一条指令的功能决定了它所需要的一系列带时序的微操作信号控制器的基本功能是负责指令的读出、识别和解释，并指挥协调各功能部件执行指令操作控制器是CPU中完成取指令和执行指令全过程的部件主要功能是根据指令操作码和时序信号的要求，产生各种操作