【软考S01计算机系统知识】E01 中央处理单元

E01 中央处理单元

  • 计算机系统硬件基本组成
  • 中央处理单元
    • 组成
    • 功能
  • 多核 CPU


计算机系统硬件基本组成

计算机系统由硬件和软件组成,基本硬件系统由 运算器、控制器、存储器、输入设备输出设备 5大部件组成;

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  • 中央处理单元: 运算器、控制器等部件集成在一起统称为中央处理单元(Central Processing Unit,CPU);CPU是硬件系统的核心,用于数据的加工处理,可以完成各种算术、逻辑运算及控制功能;
  • 存储器: 存储器是计算机系统中的记忆设备,分为内部存储器和外部存储器;
    • 内部存储器:速度高、容量小,存放程序、数据及中间结果;
    • 外部存储器:速度慢、容量大,长期保存程序和数据。
  • 外部设备: 输入设备和输出设备合称为外部设备;
    • 输入设备:输入原始数据及各种命令;
    • 输出设备:输出计算机运行的结果。

中央处理单元

组成

CPU 主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件组成;请添加图片描述

  • 运算器: 由算术逻辑单元 ALU、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器等组成;是数据加工处理部件,用于完成计算机的各种算术和逻辑运算。相对控制器而言,运算器接受控制器的命令而进行动作,即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的,所以运算器是执行部件;
    • 主要功能:
      • 执行所有的算术运算,如:加减乘除等基本运算及附加运算;
      • 执行所有的逻辑运算,如:与或非、零值测试或两个值的比较等;
    • 主要部件:
      • 算术逻辑单元(ALU):负责处理数据,实现对数据的算术运算和逻辑运算;
      • 累加寄存器(AC):通用寄存器,又称为累加器;当算术逻辑单元执行算术和逻辑运算时,为 ALU 提供一个工作区;运算时可以将中间结果、数字等存放在累加器中;
      • 数据缓冲寄存器(DR):暂时存放由内存储器读写的一条指令或一个数据字,作为 CPU 和内存、外部设备之间数据传送的中转站;
        累加寄存器与数据缓冲寄存器的区别:
        累加寄存器主要用于存储算术运算的中间结果,而数据缓冲寄存器主要用于数据传输和缓冲;
      • 状态条件寄存器(PWD):保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果的各种条件码内容,例如运算结果进位标志(C),运算结果溢出标志(V)等;

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  • 控制器: 控制器用于控制整个 CPU 的工作,不仅要保证程序的正确执行,而且要能够处理异常事件。控制器一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑和中断控制逻辑等;
    • 主要功能:
      • 指令控制逻辑:完成取指令、分析指令和执行指令的操作;具体过程分为:取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址等;
      • 时序控制逻辑:为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号;
      • 总线逻辑:为多个功能部件服务的信息通路的控制电路;
      • 中断控制逻辑:控制各种中断请求,根据优先级的高低对中断请求进行排队,逐个交给 CPU 处理。
    • 主要部件:
      • 指令寄存器(IR):CPU 执行一条指令时,先从内存储器取到缓冲存储器中,再送入 IR 暂存,指令译码器根据 IR 内容产生各种微操作命令,控制其他的组成部件工作,完成所需的功能;
      • 程序计数器(PC):程序开始执行前,将程序的起始地址送入 PC,PC 的内容即是第一条指令的地址。程序执行时,CPU 自动修改 PC 的内容,使得其内容保持执行下一条指令的地址。而由于大多数指令都是按照顺序来执行的,所以修改的过程通常只是简单的对 PC 加 1;
      • 地址寄存器(AR):保存 CPU 当前访问的内存单元的地址;
      • 指令译码器(ID):指令包含操作码和地址码两个部分,指令译码器对指令中的操作码字段进行分析解释,识别指令规定的操作,向操作控制器发出具体的控制信号,控制各部件工作。

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功能

  • 程序控制: CPU 通过执行指令来控制程序和执行顺序;
  • 操作控制: 一条指令功能的实现需要若干操作信号配合来完成,CPU 产生每条指令的操作信号并将操作信号送往对应的部件,控制相应的部件按指令的功能要求进行操作;
  • 时间控制: CPU 对各种操作进行时间上的控制,对指令的执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行严格控制;
  • 数据处理: CPU 通过对数据进行算术运算和逻辑运算等方式进行加工处理;
  • 此外,CPU 还需要对系统内部和外部的中断(异常)做出响应,进行响应的处理。

多核 CPU

核心又称为“内核”,是 CPU 最重要的组成部分,CPU 所有的计算、接受/存储命令、处理数据都由核心执行。各种 CPU 核心都具有固定的逻辑结构,一级缓存、二级缓存、执行单元、指令级单元和总线接口等逻辑单元都会有合理的布局。

多核,即在一个单芯片上面集成两个甚至更多个处理器内核。其中每个处理器内核都有自己的逻辑单元、控制单元、中断处理器、运算单元,一级 Cache、二级 Cache 共享或独有,其部件的完整性和单核处理器内核相比完全一致。

多核 CPU 系统最大的优点就是可以满足用户同时进行多任务处理的要求。


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