408答疑

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一、CPU 的功能和基本結構

CPU 的功能

• 中央處理器（CPU）由運算器和控制器組成。
  • 其中，控制器的功能是負責協調并控制計算機各部件執行程序的指令序列；
  • 運算器的功能是對數據進行加工。
• CPU 的具體功能包括：
  • 指令控制：完成取指令（也稱取指）、分析指令和執行指令的操作，即程序的順序控制。
  • 操作控制：產生完成一條指令所需的操作信號，把各種操作信號送到相應的部件，從而控制這些部件按指令的要求正確執行。
  • 時間控制：嚴格控制各種操作信號的出現時間、持續時間及出現的時間順序。
  • 數據加工：對數據進行算術和邏輯運算。
  • 中斷處理：對運行過程中出現的異常情況和中斷請求進行處理。

CPU 的基本結構

在計算機系統中，CPU 主要由運算器和控制器兩大部分組成，如下圖所示。

也可將 CPU 分為數據通路和控制部件兩大組成部分

運算器

• 運算器主要由算術邏輯單元（ALU）、暫存器、累加寄存器（ACC）、通用寄存器組（GPRs）、程序狀態字（PSW）寄存器、移位寄存器、計數器（CT）等組成。
• 主要功能是根據控制器送來的命令，對數據執行算術運算（加、減、乘、除）、邏輯運算（與、或、非、異或、移位、求補等）或條件測試（用于設置 ZF、SF、OF 和 CF 等標志位，作為條件轉移的判斷條件）。

控制器

• 控制器主要由程序計數器（PC）、指令寄存器（IR）、指令譯碼器（ID）、時序電路和微操作信號發生器等組成。主要功能是執行指令，每條指令的執行是由控制器發出的一組微操作實現的。

• 控制器的工作原理是，根據指令操作碼、指令的執行步驟（微命令序列）和條件信號來形成當前計算機各部件要用到的控制信號。計算機整機各硬件系統在這些控制信號的控制下協同運行，產生預期的執行結果。

• 控制器是整個系統的指揮中樞，在控制器的控制下，運算器、存儲器和輸入/輸出設備等功能部件構成一個有機的整體，根據指令的要求指揮全機協調工作。

CPU 的寄存器

CPU 中的寄存器按匯編語言（或機器語言）程序是否可訪問，可分為兩類，如下圖所示：

• 用戶可見寄存器：可對這類寄存器編程，以通過使用這類寄存器減少對主存儲器的訪問次數，如通用寄存器組（含基址/變址寄存器）、程序狀態字寄存器、程序計數器；
• 用戶不可見寄存器：對用戶是透明的，不可對這類寄存器編程，它們被控制部件使用，以控制 CPU 的操作，如存儲器地址寄存器、存儲器數據寄存器、指令寄存器、暫存寄存器、累加寄存器、移位寄存器。

運算器中的寄存器

1. 通用寄存器組（GPRs）：用于存放操作數（包括源操作數、目的操作數及中間結果）和各種地址信息等，如 AX、BX、CX、DX、SP 等。
   • 在指令中要指定寄存器的編號，才能明確是對哪個寄存器進行訪問。
   • SP 是堆棧指針，用于指示棧頂的地址。
2. 累加寄存器（ACC）：它是一個通用寄存器，用于暫時存放 ALU 運算的結果。
3. 移位寄存器（SR）：不但可用來存放操作數，而且在控制信號的作用下，寄存器中的數據可根據需要向左或向右移位。
4. 暫存寄存器：用于暫存從數據總線或通用寄存器送來的操作數，以便在取出下一個操作數時將其同時送入 ALU。暫存寄存器對應程序員是透明的（不可見）。
5. 程序狀態字（PSW）寄存器：保留由算術/邏輯運算指令或測試指令的運行結果而建立的各種狀態信息，如溢出標志（OF）、符號標志（SF）、零標志（ZF）、進位標志（CF）等。每個標志位通常由一位觸發器來保存，這些標志位組合在一起稱為程序狀態字。

控制器中的寄存器

1. 程序計數器（PC）：用于指出欲執行指令在主存儲器中的存放地址。
   • 若 PC 和主存儲器均按字節編址，則 PC 的位數等于主存儲器地址位數。
   • CPU 根據 PC 的內容從主存儲器中取指令，然后送入指令寄存器。
   • 指令通常是順序執行的，因此 PC 具有自動加 1 的功能（這里的“1”是指一條指令的字節數）；當遇到轉移類指令時，PC 的新值由指令計算得到。
2. 指令寄存器（IR）：用于保存當前正在執行的指令，IR 的位數等于指令字長。

八、參考資料

鮑魚科技課件

b站免費王道課后題講解:

網課全程班:

26王道考研書

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九、總結