中央處理器的組成及工作過程

1、一、中央處理器的基本功能和基本組成一、中央處理器的基本功能和基本組成l 概述概述 中央處理器簡稱中央處理器簡稱 CPU（Central Processing Unit）。）。 CPU呈矩形或正方形，通過呈矩形或正方形，通過引腳引腳與主板相連。與主板相連。 CPU內(nèi)部各單元之間信號傳輸?shù)木€路稱為內(nèi)部各單元之間信號傳輸?shù)木€路稱為片內(nèi)總線。片內(nèi)總線。 CPU與主存儲器和與主存儲器和I/O設(shè)備之間信號傳輸?shù)木€路稱為設(shè)備之間信號傳輸?shù)木€路稱為片外總線片外總線。CPU的眾多引腳包括：的眾多引腳包括：電源引腳（電源引腳（VCC、GND）數(shù)據(jù)引腳數(shù)據(jù)引腳若數(shù)據(jù)引腳有若數(shù)據(jù)引腳有 8 根，則可將其命名為根，則可

2、將其命名為D0/D1/D7； 若數(shù)據(jù)引腳有若數(shù)據(jù)引腳有16根，則可命名為根，則可命名為 D0/D1/D15，依，依此類推。此類推。地址引腳地址引腳若地址引腳有若地址引腳有10根，則可將其命名為根，則可將其命名為 A0/A1/A9，該該CPU的訪存空間為的訪存空間為 210 = 1K，依此類推。，依此類推。為節(jié)省引腳，有時會將為節(jié)省引腳，有時會將 2 種不會同時起作用的功能種不會同時起作用的功能復(fù)用復(fù)用在同一物理引腳上。在同一物理引腳上。 控制引腳控制引腳 常見的控制引腳有時鐘常見的控制引腳有時鐘CLK、讀命令、讀命令RD、寫命令、寫命令WR、復(fù)位、復(fù)位RESET、總線請求、總線請求HRQ、總線

3、允、總線允許許HLDA、中斷請求、中斷請求INTR、中斷響應(yīng)、中斷響應(yīng)INTA等。等。 l CPU 的基本功能的基本功能 CPU（計算機(jī)）工作的實(shí)質(zhì)就是周而復(fù)始地執(zhí)（計算機(jī)）工作的實(shí)質(zhì)就是周而復(fù)始地執(zhí)行指令行指令，其基本功能包括取指令、分析指令、取數(shù)，其基本功能包括取指令、分析指令、取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、寫回結(jié)果。據(jù)、處理數(shù)據(jù)、寫回結(jié)果。(1) 取指令取指令 CPU根據(jù)根據(jù)PC給出的地址訪問主存儲器，取出給出的地址訪問主存儲器，取出指令，將其存放至指令寄存器指令，將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將將IR中的操作碼部分送入指令譯碼器進(jìn)中的操作碼部分送

4、入指令譯碼器進(jìn)行譯碼行譯碼, 根據(jù)譯碼結(jié)果判斷指令的功能、操作數(shù)的根據(jù)譯碼結(jié)果判斷指令的功能、操作數(shù)的尋址方式以及數(shù)據(jù)類型，形成源操作數(shù)和目的操尋址方式以及數(shù)據(jù)類型，形成源操作數(shù)和目的操作數(shù)的有效地址。作數(shù)的有效地址。(3) 取數(shù)據(jù)取數(shù)據(jù) 根據(jù)源操作數(shù)的有效地址訪問主存，取出源根據(jù)源操作數(shù)的有效地址訪問主存，取出源操作數(shù)，源操作數(shù)將被送入處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄操作數(shù)，源操作數(shù)將被送入處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器，如累加器存器，如累加器ACC。(4) 處理數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù) CPU將源操作數(shù)送入運(yùn)算器，并根據(jù)指令譯碼將源操作數(shù)送入運(yùn)算器，并根據(jù)指令譯碼結(jié)果啟動運(yùn)算器的相應(yīng)操作對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果啟動運(yùn)算器的

5、相應(yīng)操作對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理結(jié)果存至通用寄存器。結(jié)果存至通用寄存器。(5) 寫回結(jié)果寫回結(jié)果 如果指令要求將結(jié)果寫回主存，那么處理器將如果指令要求將結(jié)果寫回主存，那么處理器將根據(jù)目的操作數(shù)的地址，將目的操作數(shù)寫入主存。根據(jù)目的操作數(shù)的地址，將目的操作數(shù)寫入主存。 lCPU 的基本組成的基本組成寄存寄存器組器組ALU 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)CUCPU地址地址引腳引腳數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)引腳引腳控制控制引腳引腳CPU 結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)片片 內(nèi)內(nèi) 總總 線線 寄存寄存器組器組CU 算術(shù)和算術(shù)和布爾邏輯布爾邏輯取反取反移位移位狀態(tài)標(biāo)志狀態(tài)標(biāo)志ALU控制信號控制信號中斷中斷系統(tǒng)系統(tǒng) 算術(shù)邏輯

6、單元算術(shù)邏輯單元 ALUALU采用組合邏輯電路采用組合邏輯電路輸入輸出均可配備鎖存器輸入輸出均可配備鎖存器Ki為操作命令信號，針對為操作命令信號，針對Ki的不同取值，的不同取值，F(xiàn)i不同不同運(yùn)算結(jié)果可能影響各種標(biāo)志位運(yùn)算結(jié)果可能影響各種標(biāo)志位ALUAiBiFiKi用戶可見寄存器用戶可見寄存器通用寄存器通用寄存器 CPU 的寄存器組的寄存器組存放操作數(shù)存放操作數(shù)也可作某種尋址方式所需的寄存器也可作某種尋址方式所需的寄存器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器存放操作數(shù)（滿足各種數(shù)據(jù)類型）存放操作數(shù)（滿足各種數(shù)據(jù)類型）兩個寄存器拼接存放雙倍字長數(shù)據(jù)兩個寄存器拼接存放雙倍字長數(shù)據(jù)地址寄存器地址寄存器存放地址，其位數(shù)應(yīng)

7、滿足最大的地址范圍存放地址，其位數(shù)應(yīng)滿足最大的地址范圍針對某種尋址方式，如基址、變址、棧指針對某種尋址方式，如基址、變址、棧指針、指令尋址針、指令尋址 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，對于取指令環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)流向（通路）為：例如，對于取指令環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)流向（通路）為：PCMARMEMMDRIRPC（程序計數(shù)器）存放當(dāng)前正在執(zhí)行指令的下（程序計數(shù)器）存放當(dāng)前正在執(zhí)行指令的下一一條指令的地址（當(dāng)前指令地址條指令的地址（當(dāng)前指令地址 +1）。）。MAR（存儲器地址寄存器）存放訪存地址。（存儲器地址寄存器）存放訪存地址。MDR（亦作（亦作MBR，存儲器

8、數(shù)據(jù)（緩沖）寄存器），存儲器數(shù)據(jù)（緩沖）寄存器），預(yù)先存放欲與主存交換的數(shù)據(jù)。預(yù)先存放欲與主存交換的數(shù)據(jù)。IR（指令寄存器）存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。（指令寄存器）存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。其中其中 MAR、MDR、IR是用戶（匯編程序員）不可是用戶（匯編程序員）不可見的；見的；PC是用戶可見的。是用戶可見的。狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器程序狀態(tài)字寄存器程序狀態(tài)字寄存器PSW（標(biāo)志寄存器）存放各（標(biāo)志寄存器）存放各條件標(biāo)志條件標(biāo)志例如符號標(biāo)志例如符號標(biāo)志 S，零標(biāo)志，零標(biāo)志 Z，溢出標(biāo)志，溢出標(biāo)志 V，進(jìn)位，進(jìn)位標(biāo)志標(biāo)志 C 等等等等每個條件標(biāo)志用每個條件標(biāo)志用 1 位來表示，可作為程序分支的位來表示，可

9、作為程序分支的依據(jù)依據(jù)一條指令對于某一條件標(biāo)志，有置一條指令對于某一條件標(biāo)志，有置 1、清、清0、不、不影響三種情況影響三種情況用戶可見用戶可見 中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng) 所謂所謂“中斷中斷”，是指，是指CPU暫停當(dāng)前程序的暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而對某種突發(fā)事件或者異常情況進(jìn)行執(zhí)行，轉(zhuǎn)而對某種突發(fā)事件或者異常情況進(jìn)行處理，處理完畢后又返回到原有程序的暫停處處理，處理完畢后又返回到原有程序的暫停處繼續(xù)執(zhí)行的工作方式。繼續(xù)執(zhí)行的工作方式。 中斷是現(xiàn)代計算機(jī)的一種極為重要的工作中斷是現(xiàn)代計算機(jī)的一種極為重要的工作方式。方式。 設(shè)計中斷系統(tǒng)需要解決一系列相關(guān)問題。設(shè)計中斷系統(tǒng)需要解決一系列相關(guān)問題。對中斷的詳細(xì)討論見第對中斷的詳細(xì)討論見第9章。章。