計算機組成原理之CPU的功能和組成部分

計算機組成原理中Ac和Acc都指的是累加寄存器

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計算機系統硬件基本組成:運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備

其中運算器、控制器等部件統稱爲中央處理單元(Central Processing Unit,CPU)

CPU是硬件系統的核心,主要用於數據的加工處理、邏輯運算、控制功能

儲存器是計算機系統中的記憶設備,分爲內部儲存器和外部儲存器

內部儲存器:速度快,容量小,一般用於存放臨時程序。

外部儲存器:速度慢,容量大,一般用於長期儲存數據或程序。

輸入輸出設備合稱爲外部設備,輸入用預處理輸入的數據和各種命令,輸出設備用於輸出計算機輸出的結果。


中央處理單元(CPU)

1、功能

程序控制:通過指令控制程序的執行順序。(**CPU的重要功能**)

操作控制:將CPU接收到的指令拆分爲不同操作信號分發給對應的部件上完成指定的功能

時間控制:對在CPU上執行的任務進行時間控制,執行的順序已經執行的時間進行嚴格控制

數據處理: 對輸入的數據進行對應處理。(**最根本的功能**)

異常處理: 對系統內外出現的中斷(異常)作出響應,並進行對應的處理

2、組成部分

CPU主要由運算器,控制器,寄存器,內部總線等部件組成。(詳見:軟件設計師第五版P2圖1-1)

​1) 運算器

​               運算器由**算術邏輯單元(Arithmetic and Logic Unit, ALU), 累加寄存器, 數據緩衝寄存器和狀態條件寄存器**等組成。主要功能是執行算術運算和邏輯運算

​               1 .  算術邏輯單元(ALU)

​                   運算器<font color ='red'>最重要的的組成部件</font>,負責處理數據,進行算數運算和邏輯運算

​               2 .  累加寄存器(AC)

​                   一個通用的寄存器,爲<font color ='red'>**ALU**</font>提供一個**工作區**,當ALU接收到一個運算時,會先將一部分數據暫放在AC中,再從內存儲存器中取出另一部分數據和AC中的數據進行運算,**最後運算的結果**將會**存放在AC**中,所以運算器中至少需要一個累加寄存器

​               3 .  數據緩衝寄存器(DR)

​                   一個數據中轉站,在對內存儲器進行讀/寫操作時,用DR暫時存放讀/寫的一條指令或一個數據字,將不同時間段內讀/寫的數據隔離開來。主要作用:作爲CPU和內存,外部設備之間數據傳送的中轉站,作爲數據的緩衝,避免速度過快導致異常。在**單累加器結構的運算器中**,數據緩衝寄存器還可以兼作爲操作數寄存器。

​               4 . 狀態條件寄存器(PSW)

​                   保存由算術指令和邏輯指令運行或測試的結果建立的各種條件碼內容,如運算結果進位標誌(C),運算結果溢出標誌(V),運算結果爲零標誌(Z),運算結果爲負標誌(N),中斷標誌(I),方向標誌(D)和單步標識等。這些標誌位通常分別由 **1位觸發器保存**,保存了當前指令完成之後的狀態,通常,**一個算術操作產生一個運算結果,而一個邏輯操作則產生一個判決**。

​ 2) 控制器

​ 控制器用於控制整個CPU的工作,決定來計算機運行過程的自動化。一般包括:指令控制邏輯,時序控制邏輯, 總線控制邏輯和中斷控制邏輯等幾個部分

​ 指令控制邏輯:取指令, 分析指令, 執行指令 (取指令, 指令譯碼, 按指令執行,形成下一條指令地址)
 

​               1. 指令寄存器(IR)

​                   接收到指令後,從內存儲器取到緩衝寄存器中,再放入IR暫存, 指令譯碼器根據IR的內容產生各種微操作指令,控制其他組成部件的工作

​               2. 程序計數器(PC)

​                   具有寄存信息和計算兩種功能,**又稱爲指令計數器**, 會記錄CPU執行指令的數量,同時會存放下一次CPU執行的指令,**每次執行完一次指令後CPU會自動修改PC中的數據**,以保持總是將要執行的下一條指令的地址。程序的執行分爲順序執行和轉移執行。順序執行就是正常的執行情況,當遇到轉移執行時,後繼的指令的地址是更具當前指令的地址加上一個向前或向後轉移的位移量的到,或者根據轉移指令給出的直接轉移的地址的到

​               3.  地址寄存器(AR)

​                    用於存放當前CPU所訪問的內存單元的地址。由於內存和CPU存在操作速度上的差異,所以需要使用AR來保持地址信息,知道內存的讀/寫操作完成爲止

​               4. 指令譯碼器(ID)

​                   指令包含操作碼和地址碼兩部分,ID就是對操作碼中的字段進行分析解釋,識別該指令規定的操作,向操作控制器發出具體的控制信號,控制個部件工作,完成所需功能

​               5 .  時序,總線,中斷邏輯控制

​                   時序控制邏輯要爲每臺指令按時間順序提供應有的控制信號。總線邏輯是爲多個功能部件服務的信息通路的控制電路。中斷控制邏輯用於控制各種中斷請求,並根據**優先級的高低**對中斷請求進行排隊,逐個交給CPU處理

多核CPU

​ 多核即在一個單芯片上面集成兩個甚至更多個處理器內核,其中每個內核都有自己獨立的部件,其完整性和單核處理器內核相比完全一致

​ 主要特點:可以滿足用戶多任務處理的需求

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