CPU内部结构详解

CPU内部结构详解

引用

CSDN

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https://m.blog.csdn.net/zxf347085420/article/details/145965845

CPU（中央处理器）是计算机系统的核心组件，负责执行程序中的指令。要理解计算机是如何工作的，就必须了解CPU的内部结构和功能。本文将详细介绍CPU的四大组成部分（ALU、寄存器、CU和中断系统）、CPU的功能、运算器的基本结构、控制器的基本结构以及CPU的基本结构。

CPU的四大组成部分

CPU逻辑上可以分为以下四大部分：ALU（算术逻辑单元）、寄存器、CU（控制单元）和中断系统。

CPU的功能

CPU由运算器和控制器组成：

• 运算器用于对数据进行加工；
• 控制器用于协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，基本功能包括：取指令、分析指令、执行指令。

具体来说：

• 取指令：自动形成指令地址；自动发出取指令的命令。取完指令后PC（程序计数器会自动+1）
• 分析指令：操作码译码(分析本条指令要完成什么操作)；产生操作数的有效地址，我们执行的指令可能采用直接寻址，间接寻址或寄存器寻址等，那么控制器在分析指令的过程中，就需要根据指令的寻址方式不同，得到操作数的有效地址。
• 执行指令：根据分析指令得到的“操作命令”和“操作数地址”，形成操作信号控制序列，控制运算器、存储器以及I/O设备完成相应的操作。
• 中断处理：在现代操作系统中，每执行一条指令，都会检查是否有中断信号需要处理，在这个阶段，控制器会处理管理总线及输入输出；处理异常情况(如掉电或除数为0等)和特殊请求(如打印机请求打印一行字符)。

CPU的主要功能包括：

1. 指令控制：完成取指令、分析指令和执行指令的操作，即程序的顺序控制。
2. 操作控制：一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。CPU管理并产生由内存取出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。
3. 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。
4. 数据加工：对数据进行算术和逻辑运算。
5. 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。

运算器的基本结构

运算器的核心就是ALU（算数逻辑单元），ALU是一个组合逻辑电路，可以实现算术运算和逻辑运算。如下图所示，需要两个操作数A,B，经过ALU电路处理后，可以得到一个输出结果。

通用寄存器组

参与运算的数据需要提前放到某些通用寄存器中，所以运算器的内部还需要提供通用寄存器组：

• 通用寄存器组：如X86架构的CPU中的AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数(包括源操作数、目的操作数及中间结果)和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。程序运行过程中，程序的执行流可能发生改变，为了让程序间的相互调用顺利完成，操作系统会给每一个当前运行的程序管理一个堆栈，这个堆栈中保存的是相应程序中的数据。

如下图所示AX可以分为AH(high)，AL(low)，即AX的高位和低位，其他类似。

任何通用寄存器都可能作为ALU的输入，若寄存器能够存放16bit数据，那么这16bit数据就会通过16根线并行传送到ALU中。

由于每个寄存器都有到ALU的专门通路，这种连线方式称为专用数据通路方式，即根据指令执行过程中的数据和地址的流动方向安排连接线路。

采用这种方式，性能较高，基本不存在数据冲突现象，但结构复杂，硬件量大，不易实现。

问题

如果直接用导线连接，相当于多个寄存器同时并且一直向ALU传输数据，而我们需要的是，以某一寄存器作为A的输入，以另一个寄存器作为B的输入，如何实现呢？

使用多路选择器（MUX）

根据控制信号选择一路输出，每个多路选择器都有相应的控制信号，用来选择把哪一个输入信号进行输出，如图所示，以0（00）号寄存器的数据作为A的输入，以1（01）号寄存器的数据作为B的输入。

使用三态门

可以控制每一路是否输出。每个三态门有三个接口，第一个接口就是输入的接口，第二个接口是输出的接口，正常情况下三态门是不导电的，当第三个接口（表示R0寄存器数据的输出）接收的输入信号是高电平时，这个三态门就能导电，即这个三态门对应的寄存器的数据可以通过。

采用专用数据通路方式方式，若部件特别多，连线会越来越复杂，制造成本和工艺难度也会提高，如何解决呢？可以采用另一种数据通路的设计方式---内部单总线方式：

CPU内部会设置总线，将所有寄存器的输入端和输出端都连接到这条公共的通路上。可以将信号输出到这个通路上，也可以从这一通路上接收信号。

如下图所示，若想把R0的数据复制到R2中，就需要将与导通，从而完成数据传输。

使用内部单总线方式，结构简单容易实现，但数据传输存在较多冲突的现象，性能较低。例如下图所示，ALU需要完成R0寄存器数据+R1寄存器数据，那么数据同时送到总线上，就会导致总线冲突。

如何解决这一问题呢？

可以在某一输入端设置一个暂存寄存器，先将R0的数据通过总线放到暂存寄存器中，接下来撤销R0的输出有效信号，再让R1输出端导通，R1的数据就会通过总线输出到B端

暂存寄存器

暂存寄存器用于暂存从主存读来的数据，这个数据不用存放在通用寄存器中，就不会破坏其原有内容。例如完成ADD R0数据，主存地址数据，那么主存地址数据就可以暂存到暂存寄存器中，作为A端输入，而R0数据就可以作为B端输入。

ALU的两个输入端输入的二进制信号稳定，输出端才能输出正确的结果，所以为保证输出端输出的信号稳定，就可以在输出端也放一个暂存寄存器。

如图所示，等输出结果稳定后，暂存寄存器的三态门会导通，数据就会通过通过内部单总线再传回给某一寄存器。例如ADD R0，R2，运算的结果就会传输到R0寄存器中（R0的要导通）

为了实现某些更复杂的功能，暂存寄存器也可以增加一些功能，例如将其改造成移位寄存器，累加寄存器，状态字寄存器等，不过也可以专门设置某一功能寄存器。

例如下图，专门设置一个累加寄存器，用于存放运算的中间结果。

除了累加寄存器ACC外，运算器还有：

• 程序状态字寄存器（PSW）：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息，如溢出标志(OP)、符号标志(SF)、零标志(ZF)、进位标志(CF)等。PSW中的这些位参与并决定微操作的形成。
• 移位器：对运算结果进行移位运算。
• 计数器：控制乘除运算的操作步数。

控制器的基本结构

• ① 程序计数器：用于指出下一条指令在主存中的存放地址。CPU就是根据PC的内容去主存中取指令的。因程序中指令(通常)是顺序执行的，所以PC有自增功能。
• ② 指令寄存器：用于保存当前正在执行的那条指令。
• ③ 指令译码器：仅对操作码字段进行译码，向控制器提供特定的操作信号。
• ④ 微操作信号发生器：根据IR的内容(指令)、PSW的内容(状态信息)及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。
• ⑤ 时序系统：用于产生各种时序信号，它们都是由统一时钟(CLOCK)分频得到。
• ⑥ 存储器地址寄存器(MAR)：用于存放所要访问的主存单元的地址。
• ⑦ 存储器数据寄存器(MDR)：用于存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息。

注：尽管之前讲的MAR,MDR是集成在主存中的，但是事实上现代计算机中，MAR与MDR就是集成在CPU中的

如下图所示,有效，并且有效，则可以将这条指令指向的操作数在内存中的地址存放在MAR中，MAR将地址信息通过外部地址总线传递给主存，主存通过这一地址信息查找相应的主存单元，再将数据通过外部数据总线，传回给CPU中的MDR中。

如上图所示，MDRin表示CPU内部总线输入通路是否有效，而MDRinE则表示CPU外部的数据总线输入通路是否有效，MDRout和MDRoutE同理。

注：CPU的内部总线指的是CPU部件进行数据传输的通路，外部总线（地址总线，控制总线，数据总线）指的是CPU与外部设备（主存，I/O设备）的数据传输的通路。

CPU的基本结构

CPU的基本结构如下图所示：

橙色部分表示用户可见的寄存器（就是用户可修改的寄存器），即PC，PSW，ACC，以及通用寄存器，举个例子：

对于PC，用户可通过条件转移指令或无条件转移指令改变PC的值。

对于PSW，某些条件转移指令需要用到PSW的值，例如if...else，需要通过PSW的特殊位判断是否进行条件转移。

对于ACC，用户采用加法，乘法都会改变ACC的值。

对于通用寄存器，用户可以通过指令读/写通用寄存器的数据。

注：对用户可见，不代表用户就可修改。例如，PSW对用户可见，但不允许用户直接修改其值。这是因为PSW中的信息是由操作系统或处理器自动设置的，反映了程序当前的执行状态和CPU的内部状态。如果允许用户随意修改PSW，可能会导致程序状态的不一致或混乱，甚至引发系统错误或崩溃。

灰色部分表示用户不可见寄存器，这些寄存器用于辅助CPU工作。

例如：MAR,MDR,IR和暂存寄存器

CPU逻辑上可以分为以下四大部分：ALU，寄存器，CU和中断系统。

原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_69884785/article/details/136191830