CPU组成结构

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CPU总体构图

CPU中央处理器（Central Processing Unit）

CPU的结构框图：CPU内部由ALU（算术逻辑单元）、CU（控制器）、寄存器（PC、IR、PSW、DR、通用寄存器等）、中断系统组成，外部通过总线与控制总线、数据总线、地址总线进行相连，对数据和程序进行相关的操作。

CPU的功能：
（1）指令控制：按照顺序进行取指操作，由控制器CU完成取指和分析指令的操作。
（2）操作控制：能对指令进行译码、寄存、执行的有关操作。
（3）时间控制：对各种操作进行的时间实施定时。
（4）数据加工：能够进行算术运算和逻辑运算，该功能的实现由ALU寄存器（算术逻辑单元）完成。
（5）处理中断：能够响应输入输出设备发出的中断请求。

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一、控制器，又叫控制单元（CU，Control Unit）

控制器的功能：
（1）从指令cache中取出一条指令，并指出下一条指令在指令cache中的位置。
（2）对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便于启动规定的动作。例如：一次数据cache的读写操作，一个算术逻辑运算操作，一个输入输出操作。
（3）指挥并控制CPU，数据cache和输入输出设备之间数据流向的方向。

控制器内部的组成部分：

1. 程序计数器（PC）：用来存放下一条要执行的指令的地址。
2. 指令寄存器（IR）：用来存放当前正在执行的指令。
3. 指令译码器（ID）：对指令进行“翻译”，确定指令执行什么操作，以决定操作的性质和方法。
4. 控制电路：根据指令译码器的分析，发出控制信号，完成该指令的所有操作。

详细分析CPU取指的流程：
指令的地址保存在程序计数器（PC）中，取指过程中，不需要使用ALU，要想把指令从内存单元中取出来，先要知道指令的地址，即需要从PC中取出指令地址。PC先把指令地址传输到MAR（存储器地址寄存器），通过MAR把信号送到地址总线，最后送到存储器。这时存储器已经得到系统将要执行的指令地址。
然后由控制单元CU向存储器发出读命令，读出的数据由存储器通过数据总线送到MDR，再由MDR送到==IR(指令寄存器)==中。这是程序计数器PC自动加一，从而确定了下一条指令的地址。

二、运算器，又叫算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）

针对每一种算术运算，都必须有一个相对应的基本硬件配置，其核心部件是加法器和寄存器。
算术逻辑单元的功能：
（1）执行所有的算术运算。
（2）执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试。如零值测试或两个数的比较。

三、寄存器

寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的原始数据，中间结果，最终结果以及控制、状态信息的。CPU的寄存器被分为：用户可见寄存器、控制和状态寄存器

1. 用户可见寄存器：
   （1）通用寄存器：存放原始数据和运算结果，可以作为某种寻址方式所需的专用寄存器。当算术逻辑单元ALU执行算数或逻辑运算时，通用寄存器为ALU提供一个工作区。现代计算机中，为了减少CPU访问存储器的次数，提高运算速度，往往设置大量的寄存器。通用寄存器一般由CPU直接访问，CPU对寄存器的访问速度远大于访问主存的速度。
   （2）数据寄存器：存放操作数、运算结果和运算的中间结果，以减少访问存储器的次数，或者存放从存储器读取的数据以及写入存储器的数据的寄存器。寄存了将要写入到计算机主存储器（例如：RAM）的数据，或由计算机主存储器读取后的数据。它就像缓冲器，持有从内存复制的数据，以准备给处理器使用。
   （3）地址寄存器：用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存的读/写操作完成为止 。
   （4）条件码寄存器：存放条件码（条件码：体现当前指令执行结果的各种状态信息，如有无进位（CF位）、有无溢出（OV位）、结果正负（SF位）、结果是否为零（ZF位）、奇偶标志位（P位）等），可作程序分支的依据。

2. 控制和状态寄存器
   （1）控制寄存器：控制寄存器（CR0～CR3）用于控制和确定处理器的操作模式以及当前执行任务的特性。
   （2）状态寄存器：
   状态寄存器：存放条件码
   PSW寄存器：保存由算数指令和逻辑指令运算或测试结果建立的各种条形码；保存中断和系统工作状态等信息。