CPU的功能
運算器
- 數據加工：對數據進行算術和邏輯運算。
控制器
協調並控制計算機各部件執行程序的指令序列
- 指令控制：完成取指令、分析指令和執行指令的操作，即程序的順序控制。
- 取指令：自動形成指令地址（PC+1），自動發出取指令的命令。
- 分析指令：操作碼譯碼、產生操作數的有效地址。
- 執行指令：根據分析指令得到的“操作命令”和“操作數地址”，形成操作信號以控制序列，控制運算器、存儲器以及I/O設備完成相應的操作。
- 操作控制：一條指令的功能往往是由若干操作信號的組合來實現的。CPU管理並產生由內存取出的每條指令的操作信號，把各種操作信號送往相應的部件，從而控制這些部件按指令的要求進行動作。
- 時間控制：對各種操作加以時間上的控制。時間控制要為每條指令按時間順序提供應有的控制信號。
- 中斷處理：對計算機運行過程中出現的異常情況(如掉電)和特殊請求(如打印機請求打印一行字符)進行處理。
- 外部設備造成中斷處理：用鼠標停止某項下載任務
- 內部指令造成中斷處理：在除法中給出的除數為0
運算器的基本結構
-
算術邏輯單元ALU：主要功能是進行算術/邏輯運算。
-
通用寄存器組：用於存放操作數（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R0、R1、AX、BX、CX、DX、SP等
- 其中AX，BX等都可以向下划分為：高字節部分AH，BH、低字節部分AL，BL
-
堆棧寄存器SP：用於指示棧頂的地址。
-
累加寄存器ACC：它是一個通用寄存器，用於暫時存放ALU運算的結果信息，用於實現加法運算。
-
程序狀態字寄存器PSW：保留由算術邏輯運算指令或測試指令的結果而建立的各種狀態信息。PSW中的這些位參與並決定微操作的形成。
- 如溢出標志(OP)、符號標志(SF：正負標志)、零標志(ZF)、進位標志(CF）等。
-
暫存寄存器
-
移位寄存器：對運算結果進行移位運算
- 之前也可以是個暫存寄存器，增加對運算結果的移位功能—>移位寄存器
-
計數器：控制乘除運算的操作步數
運算器的數據通路方式
1、專用數據通路方式
- 根據指令執行過程中的數據和地址的流動方向安排連接線路。
- 如圖，每個寄存器都要與ALU有各自的通路，圖中R0和ALU的連線是簡化的。
特點
- 性能較高，基本不存在數據沖突現象，但結構復雜，硬件量大，不易實現。
- 為什么說連通復雜？例如當R是16bit的時候，要和A、B分別連16根線，
問：一次可以傳入ALU很多數字，但如何選擇需要的那個？
如果直接用導線連接，相當於多個寄存器同時並且一直向ALU傳輸數據
解決方法1：使用多路選擇器MUX根據控制信號選擇一路輸出
- 通過在MUX上選定信號是00、01，來決定選擇來自R0、R1寄存器的數據
解決方法2：使用三態門來控制每一條路是否輸出
- 圖中小三角就是三態門，默認情況下不導通
2、內部單總線方式
- 將所有寄存器的輸入端和輸出端都連接到一條公共的通路上。
特點
- 結構簡單，容易實現，但數據傳輸存在較多沖突的現象，性能較低。
前提
- 暫存寄存器:用於暫存從主存讀來的數據，這個數據不能存放在通用寄存器中，否則會破壞其原有內容
- 如:兩個操作數分別來自主存和R0，最后結果存回R0，那么從主存中取來的操作數直接放入暫存器，就不會破壞運算前R0的內容。
舉例：ADD R0 R1
如果同時運輸2數，無法確定兩個分別是哪個
- 讓R0out導通 沿着線路A 放到暫存器中
- 讓R0out關閉
- 讓R1out導通 沿着線路B到ALU
如果在兩次連續的計算中 R0給的信號和ALU給的結果產生信號可能沖突，如何解決？——在結果處增加一個暫存寄存器
- ALU計算結果先放在暫存寄存器中，此時，三態門不導通，先存着
- 讓 R0out導通，先傳輸數據，再讓暫存寄存器這邊導通，就不會再產生矛盾
控制器的基本結構
- 程序計數器PC：用於指出下一條指令在主存中的存放地址。CPU就是根據PC的內容去主存中取指令的。因程序中指令(通常）是順序執行的，所以PC有自增功能。
- 指令寄存器IR：用於保存當前正在執行的那條指令。
- 控制單元CU：
- 指令譯碼器ID：僅對操作碼字段進行譯碼，向控制器提供特定的操作信號。
- 微操作信號發生器：根據IR的內容（指令)、PSW的內容（狀態信息）及時序信號，產生控制整個計算機系統所需的各種控制信號。其結構有組合邏輯型和存儲邏輯型兩種。
- 時序系統：用於產生各種時序信號，它們都是由統一時鍾(CLOcK）分頻得到。
- 存儲器地址寄存器MAR：用於存放所要訪問的主存單元的地址。
- 這里得到地址就要去訪問
- 存儲器數據寄存器MDR：
- MAR與MDR被集成在CU了的
- 這里的E是外部的意思。
- 有無E的區別：是去往外界（數據總線）還是去往CPU內部總線。
合體：CPU基本結構
