Question

微处理器的组成及其各部分的功能？

Answer 1

微处理器是微型计算机的核心部分，又称为中央处理器(简称CPU)。微处理器主要由控制器和运算器两部分组成（还有一些支撑电路），用以完成指令的解释与执行。　　CPU中的运算器部分由算术逻辑单元ALU、累加器AC、数据缓冲寄存器DR和标志寄存器F组成，它是计算机的数据加工处理部件。我们以一个简单的A、B两数相加操作为例来说明运算器各部分的操作步骤。
　　计算A+B 　　1）从主存储器M取出第一个加数A，经双向数据总线DB、数据缓冲寄存器DR、算术逻辑部件ALU，送到累加器AC暂存； 2）从主存M取出另一个加数B，经双向数据总线DB送入数据缓冲寄存器DR暂存； 　　3）在控制信号作用下，将数A和数B分别从AC和DR中取出送ALU进行加法运算，相加到的结果写回累加器AC，并将反映运算结果的诸如"零"、"负"、"进位"、"溢出"等标志状态写入标志寄存器F；
　　4）将AC中两数相加之和经DR和数据总线DB送到主存储器存放。 　　以上过程可用符号表示为： 　　（A） —> DR；　　（DR）—> AC；　　（B） —> DR； 　　（AC）+（DR）—> AC； 　　（AC）—> DR；　　（DR）—> M。 通过以上例子，可以看出运算器应该具有以下基本功能：
　　1） 具有对数据进行加工处理的运算能力，诸如进行加、减、乘、除等算术运算以及与、或、非等逻辑运算。这些工作由算术逻辑单元ALU来完成；
　　2） 具有传送数据和暂时存放参与运算的数据及某些中间运算结果的能力，一般通过内部数据传送总线和通用寄存器来完成；
　　3） 具有对参与运算的数据和执行的运算操作进行选择的功能，并且能按指令要求将运算结果送至指定部件。这部分功能主要由运算器中大量的电子控制器件实现。
　　CPU中的控制部分由指令计数器IP、指令寄存器IR、指令译码器ID及相应的操作控制部件组成。它产生的各类控制信号使计算机各部件得以协调地工作，是计算机的指令执行部件。控制器的主要工作原理及各部件功能如下：
　　1） 取指令：根据指令计数器IP的内容（指令地址），经地址寄存器AR从主存储器中取出一条待执行指令，送入指令寄存器IR；同时，使IP的内容指向下一条待执行指令的地址（一般通过IP内容加1来实现）；
　　2） 分析指令：也称指令译码，由译码器ID对存于指令寄存器IR中的指令进行分析，并根据指令的要求产生相应的操作命令。若参与操作的数据在主存储器中，则还需要形成相应的操作数地址；
　　3） 执行指令：根据分析指令过程中获取的操作命令和操作数地址形成相应的操作控制信号，通过运算器、主存储器及I/O设备执行，以实现每条指令的功能，其中包括对运算结果的处理和下一条指令地址的形成；
　　4） 重复以上步骤，再取指令、分析指令、执行指令，如此循环，直到遇到停机指令或受到外来干预为止。
　　在微机中，常常将取指令和分析指令合称为取指令，因此也将计算机的完成一条指令的过程分为两个步骤：取指令和执行指令。执行完成一条指令的时间称为机器周期。机器周期又可分为取指令周期和执行指令周期。取指令周期对任何一条指令都是一样的，而执行指令则不然，由于指令性质不同，要完成的操作有很大差别，因此不同指令的执行周期不尽相同。
　　CPU中的主要寄存器都各司其职，完成特定的功能。如何控制信息在特定的寄存器之间传送，也即控制数据的流动方式，是计算机得以指令各类不同指令的实质。通常将寄存器之间传送信息的通路称作为数据通路，信息从何处出发，经哪些寄存器或部件，送至哪个寄存器，都要加以控制，这个工作由称之为"操作控制逻辑"的部件来完成。该部件根据指令要求产生各种操作控制信号，以便正确建立数据通路，从而实现特定指令的执行。
　　CPU中必须有时序产生器，其作用是对计算机各部件高速的运行实施严格的时序控制，使各部件为完成同一目标既各司其职，又相互协调。
综上所述，一个典型的CPU组成部件可归纳如下：
　　1） 用于保存CPU运行时所需各类数据信息或运行状态信息的6个主要寄存器：AC、DR、AR、IP、IR、F；
　　2） 对寄存器中的数据进行加工处理的算术逻辑单元ALU；　　3） 用于产生各种操作控制信号，以便在各寄存器之间建立数据通路的指令译码器ID和操作控制逻辑； 　　4） 用于对各种操作控制信号进行时间控制，以使各部件协调工作的时序产生器。 随着计算机技术的发展，微处理器的结构越来越复杂，采用的新技术越来越多，功能也越来越强。但本节所采用的最简单化的CPU模型，在描述CPU基本工作原理及组成中并不失有效性和正确性。
二、微处理器的分类 　　微处理器的主要性能指标是字长和主频。所谓"字长"，即微处理器中的运算部件一次能同时处理的二进制数的位数。这好比城市的公路，车道越多，相同时间通过的车就越多。主频是CPU的时钟频率，它决定微处理器的运算速度。主频越高则其处理数据的速度相对就快。 　　目前生产微处理器的厂家有Intel、AMD、IBM、DEC等。微处理器的分类一般是根据"字长"进行划分，可分为：8位、16位、32位和64位微处理器。　　 　　通常，CPU的性能指标决定了由它构成的微型计算机的档次。人们常说的8位机、16位机、32位机指的是该微机中的CPU可以同时处理8位、16位、32位的数据。比如： 某台计算机为486/33，指的是该微机的CPU为80486，主频为33MHz；　　某台计算机为Pentium /100，指的是该微机的CPU为Pentium ，主频为100MHz。
　　微处理器还有其它一些指标，如数据总线宽度、地址总线宽度、可寻空间、微处理器芯片的集成度等。但主要性能指标是微处理器的字长和主频。