CPU结构与指令执行过程简介

CPU（Central Processing Unit）是计算机中进行算术和逻辑计算处理指令的主要部件.

CPU结构

CPU由通用寄存器组,运算器,控制器和数据通路等部件组成.

寄存器包括

• 数据寄存器: AX，BX，CX，DX;

• 指针与变址寄存器:SP, BP, SI,DI

• 栈寄存器: CS,DS,SS,ES

详情参见寄存器与寻址方式的介绍

运算器主要是指算术逻辑单元(arithmetic and logic unit, ALU).

上图所示的CPU采用单总线结构, ALU通过两个暂存器T,S与总线相连.

控制器的主要组成部分是微命令形成电路, 以及3个控制寄存器和时序逻辑部件.

• 程序状态字(Program Status Word,PSW): 存放结果状态和标志

• 程序计数器(Program Counter,PC): 记录下一条指令的内存地址

• 指令寄存器(Instruction Register,IR): 寄存正在执行的指令

为了与系统总线交互设置单向地址寄存器AR和双向数据寄存器DR.

CPU为了IO等功能还设置了外部中断INT,直接内存访问(Direct Memory Access,DMA)等部件.

现代CPU通常还集成了高速缓存(Cache)和流水线等组件.

CPU时钟

时钟周期由时钟部件提供,是CPU中原子计时单位.

一般把CPU对内存的一次访问当作一个机器周期.

CPU执行一条指令的时间为一个指令周期,不同指令的指令周期不一样.

指令执行过程

机器指令: 是CPU能直接识别并执行的指令,为二进制编码的形式, 汇编指令是二进制机器指令的助记符.

微指令: 在微程序控制的计算机中，微指令是同时发出的控制信号的组合.

一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令.水平型微指令的一般格式为:

控制字段 判别测试字段 下地址字段

垂直型微指令的结构类似于机器指令的结构.它有操作码，在一条微指令中只有l-2个微操作命令，每条微指令的功能简单.

微操作是CPU的原子操作,以一个寄存器的数据读写操作为标志.

每一个微操作是控制器向相应部件发送控制信号(微命令)而触发的.

一般在微操作的层面上研究指令的执行过程.

一般机器指令执行过程分为取指令(Fetch Instruction), 取数据(Fetch Data), 执行(Execute)等操作

FIC微操作

PC->AR
AR->MainMemory
Read ;将Memory中的数据传到系统总线上
PC+1
M->DataBus
DastaBus->DR
DR->IR

FDC微操作

在进行取操作数之前先进行译码操作,首先根据16位指令编码的形式分析指令类型:

• 双操作数指令: 0000 xxxx

• 单操作数指令: 0000 1110 xxxx

• 转移指令: 0000 1111 xxxx

• 无操作数指令: 0000 1111 1111 xxxx

EXEC微操作

转移指令执行过程

PC->ALU
ADD PC Disp->T
T->PC

INC指令:

ALU: S+1->T
BX->MainMemory
T->DB
Write ;结果写入内存

微程序控制器与硬布线控制器

微程序控制器

微程序控制器设计简单,规范化;功能可编程,成本低,错误少但是速度较慢.

硬布线控制器

硬布线控制器用与或逻辑阵列将微指令转换为控制信号,设计复杂,无法编程修改功能但是速度较快.