5.1 CPU的基本功能和结构

5.1.1 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

• 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

在具体的划分上，CPU包括运算器和控制器两部分，它们分别实现上述的这些功能。

• 运算器

  • 对数据进行加工

• 控制器

  • 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

5.1.2 CPU的基本结构

1、运算器的基本结构

• 算术逻辑单元

• 通用寄存器组

  • X86架构下，通用寄存器的命名规则一般为AX、BX、CX…

  • AH表示寄存器AX的高位地址，AL表示寄存器AX的低位地址

• 堆栈指针SP（特殊的寄存器）

• 暂存寄存器

  • 存放总线上读来的数据

  • 存放ALU的运算结果

• 程序状态字寄存器（PSW）

  • 溢出标志（OF）

  • 符号标志（SF）

  • 零标志（ZF）

  • 进位标志（CF）

• 移位器

• 计数器

寄存器与ALU的连接方式

1、专用通路方式

将每一个寄存器与ALU直接通过数据线相联

• 使用多路选择器，选择当前哪一个寄存器的信号有效

• 使用三态门，分别控制每一路输出的通断

优缺点：

• 性能较高，不存在数据冲突的现象

• 结构复杂，硬件量大，不易实现

2、CPU内部单总线方式

将所以的寄存器连接到一条内部总线上

可以利用暂存寄存器存放总线上读来的数据

优缺点

• 结构简单，实现容易

• 存在数据冲突，性能较低

2、控制器的基本结构

• 程序计数器（PC）

• 指令寄存器（IR）

• 指令译码器

  • 对操作码进行译码

• 微操作信号发生器

  • 根据指令译码器的结果、PSW中的标志位及时序信号，发出各种控制信号

• 时序信号

  • 由CLOCK分频得到不同的时序信号

• 存储器地址寄存器（MAR）

• 存储器数据寄存器（MDR）

3、寄存器对用户的可见性

• 用户可见的

  • PSW

  • ACC

  • 通用寄存器

  • PC

  • 基址寄存器

  • 中断字寄存器

• 用户不可见的

  • 暂存寄存器

  • 移位寄存器

  • 指令缓冲器

  • 乘法器

  • 先行进位链

  • IR

  • MAR

  • MDR