CPU组成结构

CPU总体构图

CPU中央处理器（Central Processing Unit）

CPU的结构框图：CPU内部由ALU（算术逻辑单元）、CU（控制器）、寄存器（PC、IR、PSW、DR、通用寄存器等）、中断系统组成，外部通过总线与控制总线、数据总线、地址总线进行相连，对数据和程序进行相关的操作。

CPU的功能：
（1）指令控制：按照顺序进行取指操作，由控制器CU完成取指和分析指令的操作。
（2）操作控制：能对指令进行译码、寄存、执行的有关操作。
（3）时间控制：对各种操作进行的时间实施定时。
（4）数据加工：能够进行算术运算和逻辑运算，该功能的实现由ALU寄存器（算术逻辑单元）完成。
（5）处理中断：能够响应输入输出设备发出的中断请求。

一、控制器，又叫控制单元（CU，Control Unit）

控制器的功能：
（1）从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置。
（2）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便于启动规定的动作。例如：一次数据cache的读写操作，一个算术逻辑运算操作，一个输入输出操作。
（3）指挥并控制CPU，数据cache和输入输出设备之间数据流向的方向。

控制器内部的组成部分：

1. 程序计数器（PC）：用来存放下一条要执行的指令的地址。
2. 指令寄存器（IR）：用来存放当前正在执行的指令。
3. 指令译码器（ID）：对指令进行“翻译”，确定指令执行什么操作，以决定操作的性质和方法。
4. 控制电路：根据指令译码器的分析，发出控制信号，完成该指令的所有操作。

详细分析CPU取指的流程：
指令的地址保存在程序计数器（PC）中，取指过程中，不需要使用ALU，要想把指令从内存单元中取出来，先要知道指令的地址，即需要从PC中取出指令地址。PC先把指令地址传输到MAR（存储器地址寄存器），通过MAR把信号送到地址总线，最后送到存储器。这时存储器已经得到系统将要执行的指令地址。
然后由控制单元CU向存储器发出读命令，读出的数据由存储器通过数据总线送到MDR，再由MDR送到==IR(指令寄存器)==中。这是程序计数器PC自动加一，从而确定了下一条指令的地址。

二、运算器，又叫算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）

针对每一种算术运算，都必须有一个相对应的基本硬件配置，其核心部件是加法器和寄存器。
算术逻辑单元的功能：
（1）执行所有的算术运算。
（2）执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。如零值测试或两个数的比较。

三、寄存器

寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的原始数据，中间结果，最终结果以及控制、状态信息的。CPU的寄存器被分为：用户可见寄存器、控制和状态寄存器

1. 用户可见寄存器：
   （1）通用寄存器：存放原始数据和运算结果，可以作为某种寻址方式所需的专用寄存器。当算术逻辑单元ALU执行算数或逻辑运算时，通用寄存器为ALU提供一个工作区。现代计算机中，为了减少CPU访问存储器的次数，提高运算速度，往往设置大量的寄存器。通用寄存器一般由CPU直接访问，CPU对寄存器的访问速度远大于访问主存的速度。
   （2）数据寄存器：存放操作数、运算结果和运算的中间结果，以减少访问存储器的次数，或者存放从存储器读取的数据以及写入存储器的数据的寄存器。寄存了将要写入到计算机主存储器（例如：RAM）的数据，或由计算机主存储器读取后的数据。它就像缓冲器，持有从内存复制的数据，以准备给处理器使用。
   （3）地址寄存器：用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读/写操作完成为止 。
   （4）条件码寄存器：存放条件码（条件码：体现当前指令执行结果的各种状态信息，如有无进位（CF位）、有无溢出（OV位）、结果正负（SF位）、结果是否为零（ZF位）、奇偶标志位（P位）等），可作程序分支的依据。

2. 控制和状态寄存器
   （1）控制寄存器：控制寄存器（CR0～CR3）用于控制和确定处理器的操作模式以及当前执行任务的特性。
   （2）状态寄存器：
   状态寄存器：存放条件码
   PSW寄存器：保存由算数指令和逻辑指令运算或测试结果建立的各种条形码；保存中断和系统工作状态等信息。

计算机组成原理-CPU的组成与指令系统

CPU的组成

• 运算器
  • ALU算数逻辑单元：负责对数据算数运算和逻辑运算
  • AC累加寄存器：通用寄存器，当ALU运算时为ALU提供一个工作区
  • DR数据缓冲寄存器：在对内存读写时，暂时存储读写数据（指令或数据字），并将不同时间段内读写出来的数据分开
  • 状态条件寄存器PSW ：保存运条件码和内容
• 控制器
  • IR指令寄存器：当CPU执行一条指令时，先把指令从存储器读到DR缓冲寄存器 ，再送入IR，ID指令译码器根据IR译码出微操作指令，控制其它组成部件工作
  • PC程序计数器（指令计数器）：具有寄存和计数功能，在程序开始执行前，将程序的起始地址送入PC，该地址在加载到内存时确定，因此PC的内容是程序第一条指令的地址
  • AR地址寄存器：AR保存当前CPU当前所访问的内存单元地址
  • ID指令译码器：对指令的操作码进行分析和解释，识别操作，向控制器发出信号
• 寄存器组
  • 可分为专用寄存器和通用寄存器，运算器和控制器中的寄存器为专用
• 内部总线

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应用以上CPU与指令的总结，可以得出答案A

一、CPU的功能

程序：指令序列，这个序列包括操作和操作数的地址。
CPU（中央处理器）：把程序装入内存储器，就可以由计算机部件来自动完成取指令和执行指令的任务。
基本功能：

• 指令控制：保证机器按顺序执行程序（CPU的首要任务）
• 操作控制：
• 时间控制
• 数据加工：CPU的根本任务

二、CPU的基本组成

控制器

由程序计数器（指令指针寄存器）、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。
主要功能：

• 从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置。
• 对指令进行译码或测试，并产生相应的控制信号，
• 指挥并控制CPU、数据cache和输入输出设备之间数据流动的方向。

运算器

由ALU（算术逻辑运算单元）、通用寄存器、DR（数据缓冲寄存器）、PSWR（程序状态字寄存器/状态条件寄存器）
主要功能：执行所有的算术、逻辑运算

三、CPU中的主要寄存器

1.DR（数据缓冲寄存器）暂时存放ALU的运算结果、或由数据存储器读出的一个数据字、或来自外部接口的数据字。
作用：

• 作为ALU运算结果和通用寄存器之间信息传送中时间上的缓冲
• 补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别

2.IR（指令寄存器）：保存当前正在执行的一条指令
一条指令执行时，先把它从指令存储器（指存）读出，然后再传送到指令寄存器。
OP码进入指令译码器
指令译码器：对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。
指令译码器产生信号
3.PC（程序计数器、指令计数器、指令指针寄存器）确定下一条指令的地址
一般情况下，pc+1
遇到转移指令，pc的内容由指令寄存器的地址字段取得
因此，PC必须同时具有计数和寄存器两种功能
4.AR（数据地址寄存器）：保存当前CPU所访问的数据存储器（数存）单元的地址。
存储器阵列要进行地址译码，所以要用AR来保存地址信息，直到一次读写操作完成。
5.通用寄存器：为ALU提供工作区
还可用作地址指示器、变址寄存器、堆栈指示器
6.PSWR：保存由算术运算指令和逻辑运算指令运算或测试结果建立的各种条件代码
如：C（进位标志）、V（溢出标志）、Z（运算结果为0）、N（运算结果为负）
PSWR是由各种状态条件标志拼凑而成的寄存器

四、操作控制器与时序产生器

• 数据通路：许多寄存器之间传送信息的通路。
• 时序控制器：在寄存器之间建立数据通路。根据操作码和时序信号，产生操作控制信号，以便正确的选择数据通路。
• 分类：硬布线控制器（时序逻辑型）、微程序控制器（存储逻辑型）
• 时序产生器：操作控制器产生的信号定时