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，具有控制程序顺序执行的功能

• 操作控制：产生完成每条指令所需的控制命令，一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，CPU管理并产生由内存取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

• 控制器
• 负责协调和控制计算机各部件执行程序的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令和执行指令
• 取指令：控制器必须具备自动地从存储器中取出指令的功能，要求其能够自动形成指令的地址（PC+"1")，并能发出取指令的命令，将对应此地址的指令取到控制器
• 分析指令：
• 操作码译码，分析此指令要完成什么操作，控制器要发出什么操作命令
• 分析参与这次操作的操作数地址，操作数的有效地址--数据寻址方式不同
• 执行指令：根据分析指令产生的“操作命令”和“操作数地址”的要求形成操作控制信号序列（不同的指令有不同的操作控制信号序列），通过对运算器、存储器以及I/O设备的操作执行每条指令
• 控制程序的输入和运算结构的输出（控制主机与I/O设备交换信息）
• 对总线管理
• 中断处理：处理机器运行过程中出现的异常情况（如掉电）和特殊请求（如打印机请求打印一行字符）

• 运算器
• 对数据进行加工，实现算术和逻辑运算

CPU结构框图

运算器的基本结构

专用数据通路方式

CPU内部单总线方式

将所有寄存器的输入端和输出端都连接到一条公共的通路上

控制器的基本结构

CPU的结构

总结

1. PC、IR、指令译码部件：

• 指令控制

1. CU+时序电路：

• 操作控制

• 时间控制

1. ALU+寄存器：

• 数据加工

1. 中断系统：

• 处理中断 CPU由四大部分组成：ALU、寄存器、中断系统、CU

CPU的寄存器

• 用户可见寄存器
• 用户可对这类寄存器进行编程，以及通过优化使CPU因使用这类寄存器而减少对于主存的访问次数
• 通用寄存器
• 通用寄存器可由程序设计者指定许多功能
• 存放操作数（或操作数的地址）
• 可作某种寻址方式所需的专用寄存器
• 基址寄存器
• 变址寄存器
• 堆栈寻址所需的栈指针SP
• 数据寄存器
• 存放操作数，其位数应满足多数数据类型的数值范围
• 有些机器允许使用两个连续的寄存器存放双倍字长的值
• 有些机器的数据寄存器只能用于保存数据，不能用于操作数地址的计算
• 地址寄存器
• 存放地址，地址寄存器的位数必须够长，以满足最大的地址范围
• 用于特殊的寻址方式，例如基址寻址的段基址（存放基地址）、用于变址寻址的变址寄存器、用于堆栈寻址的栈指针
• 条件码寄存器
• 存放条件码

• 控制和状态寄存器
• 用户不可对这类寄存器编程，它们被控制部件使用，以控制CPU的操作，也可被带有特权的操作系统程序使用，从而控制程序的执行
• 控制寄存器
• MAR、MDR、IR 用户不可见
• MAR：存储器地址寄存器，用于存放将被访问的存储单元的地址
• MDR：存储器数据寄存器，用于存放欲存入存储器中的数据或最近从存储器中读出的数据
• IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指令
• PC 用户可见
• 程序计数器，存放现行指令的地址，通常具有计数功能，当遇到转移类指令，，PC的值可被修改
• 通过以上4个寄存器，CPU和主存可交换信息
• PC->MAR->M->MDR->IR
• 状态寄存器
• 程序状态字寄存器（PSW寄存器）
• 存放条件码和其他状态信息

• 中断标记寄存器