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1、1,第2章 中央处理器 CPU,2,21 计算机硬件组成,211 计算机硬件系统 任何一种计算机不论它是早期的大型计算机还是近期的微处理机，从宏观上、站在另一个角度上来说，其硬件的基本构成都是由微处理器、存储器系统和输入/输出系统三大块构成，如图2. 1所示。它们又是通过总线相互连接在一起，构成一个功能强大设备齐全的计算机硬件系统。,图2. 1 基于微处理器的计算机系统框图,3,计算机系统的核心部件是微处理器，充当计算机系统核心作用的微处理器，因时代的变迁和与时俱进的微处理机技术的飞速发展而变化着，它们曾经是16位的8086、8088、80186、80286微处理器，32位的80386、804
2、86、经典奔腾Pentium、高能奔腾Pentium Pro、二代奔腾Pentium II、Pentium III，直至目前的Pentium 4以及将来的64位的微处理器。 计算机存储器系统的构成；既有只读存储器（ROM），也有随机存取存储器RAM。而随机存取存储器RAM，既可以是动态的RAM（RAM），也可以是静态的RAM（SRAM）。为了解决微处理器高速的操作处理速度与存取速度较低的存储器之间的矛盾，在微处理机系统中通常还配备有高速缓冲存储器Cache，用以加速微处理机与存储器之间的信息传输速度。 计算机系统内的输入/输出系统是人-机进行信息交互的一种非常重要的手段。输入/输出系统通常是由
3、诸如打印机、显示器、键盘、光驱、鼠标、绘图仪、扫描仪、软盘驱动器、硬盘驱动器、磁带机等设备组成。一个计算机系统配备的输入/输出设备的多少因需要而异。,4,212 微处理器芯片 微处理机系统的核心部件是微处理器芯片，通常称之为CPU（Central Processing Unit）。微处理器芯片是通过总线对存储器和输入/输出操作进行控制的。在微处理器与I/O设备或与存储设备之间进行数据传送操作时，是用总线来选择I/O设备或存储设备的，并且对I/O设备和存储器设备实施控制。当微处理器执行存储在存储器中的指令时，同时也实现了对存储器和I/O 的控制。,5,其实，微处理机系统主要完成以下三项任务：（1
4、）在微处理器与存储器或者I/O设备之间传送数据；（2）进行简单的算术运算和逻辑运算操作；（3）通过简单的判断来实现对程序流向的控制。,6,实际上，微处理器就是这样通过这些简单的算术运算和逻辑运算操作而实现积小事而大成之目的。通过执行一条条简单的指令而完成任何一种复杂的操作或任何一项任务。 微处理器的强大功能和威力主要表现在它能够每秒执行几千万条乃至几亿条指令，由这些指令组成的程序或软件（指令的集合）被存放在微处理机系统的存储器中。这种存储程序的概念使微处理机系统成为功能强大的IT设备。 表2. 1列出了在Intel系列微处理器上执行的算术运算和逻辑运算操作。看起来，这些运算都是一些非常基本、非
5、常简单的运算，然而就是通过这些简单的操作的组合，解决了人脑和体力所几乎不能解决的那些大的复杂课题的计算问题。,7,表2.1 简单的算术和逻辑操作,8,用于运算的数据或者是来自存储器系统，或者是取自内部寄存器。进行运算的数据宽度也是可以变化的，它们可以是字节（8位）数据、字（16位）数据或双字（32位）数据。当然，也只有80386PentiumII可以直接处理8位、16位和32位的数据。由于早期的808680286是16位的微处理器，它们仅能直接加工处理8位和16位的数据，而不能直接加工处理32位的数据。从80486 微处理器开始，在微处理器芯片内又新配备了一个数字协同处理器（又称浮点部件），允
6、许用80位的浮点数进行复杂的计算。而在以808680386微处理器为平台的PC机系统中，数字协同处理器是一种独立于808680386的、附加的、可选用的芯片部件。,9,微处理器功能表现得非常强大的另一个的特征是，它拥有简单实用的、以实际数值为基础进行判断的能力。例如，微处理器可以判断一个数是否为零、是否为正、以及其他一些表怔值等。微处理器可根据这些简单判断操作来决定程序的流向。表2.2列出了Intel系列微处理器可以做出的判断操作。表2. 2 808680486和Pentium/Pentium Pro微处理器的判断,10,213 CPU 的构成,为对微处理器CPU结构有一个全面的了解，先从微处
7、理器的最基本的操作说起。 1微处理器操作首先，作为微处理器系统的核心部件CPU，它必须能进行如下一些最基本的操作： （1）取指令（fetch instructions）：CPU必须有办法、有能力从存储器内读取指令。 （2）解释指令（interpret instructions）：CPU必须对指令进行译码，也就是对指令进行分析解释，以确定指令所要进行的操作。 （3）取数据（fetch data）：执行一条指令所需的数据，即可以是取自存储器、也可以从I/O模块上读取数据。 （4）处理数据（process data）：CPU处理数据的过程，也就是CPU执行指令的过程，一条指令的执行，就是对数据进行某
8、些算术运算或逻辑运算的操作过程。 （5）写数据（write data）：是CPU对数据进行算术运算或逻辑运算操作的结果进行保存处理的过程。或者将指令执行的结果写到存储器内，或者将指令执行的结果送到I/O模块。,11,2微处理器（CPU）构成 为能实现如上所说的这些最基本的操作，CPU需要配备有能暂时存放某些数据的设施；CPU还必须记住最近执行指令的位置，以便知道要执行的下一条指令位于从何处；CPU还需要配备有在指令执行期间用来暂时保存指令和数据的设施。也就是说，在CPU内部也需要一小批量的内部存储装置。 图2. 2中所展示的是一个经简化了的CPU逻辑框图，从图中可以看出，CPU芯片是经由系统总
9、线与微机系统其他部分的相连接的。其实，CPU是由一个算术运算和逻辑运算部件ALU以及一个控制部件CU组成。,12,图 2. 2 CPU与系统总线,13,ALU的功能是：进入ALU的数据进行实际计算或处理。控制部件的功能是：对进入CPU的数据和指令进行控制处理，对移出CPU的数据和指令也设施控制处理，同时对ALU的操作也进行着控制。另外，CPU逻辑框图内还由一组用来暂时保存指令和数据的设施，它们就是品种和数量都有限的被称为寄存器的暂时存储设备。,14,若欲对CPU的的体系结构进行进一步的了解，需对CPU的体系结构再进一步进行剖析，图2. 3所展示的就是一个较详细的CPU逻辑框图。,15,图中展示
10、出了在CPU内部数据传送和逻辑控制的途径；图中的那个被称之为CPU内部总线的部件，是构成CPU的一个非常重要的部件，CPU各寄存器和ALU之间的数据传送操作就是由这个部件具体实施和完成的。ALU其实是由状态和标志寄存器、移位器、加法器以及算术和布尔操作控制逻辑等基本组件构成。事实上，ALU只是对CPU内部用于暂时存放数据的寄存器数据进行操作。其实，任何一个计算机硬件系统都是由CPU、存储器以及I/O设备构成；而CPU又是由控制器、ALU、寄存器等部件构成，各部件之间的数据传输操作又是通过把各部件连接在一起的数据总线完成的。,16,（1）寄存器 可见寄存器 在微处理器芯片内设置有用户可见的寄存器
11、，所谓用户可见寄存器是指那些用户可以用机器指令显式的或隐式的方式进行访问的寄存器。它们可以是通用寄存器，也可以是专用寄存器。像用来进行定点数操作或浮点数操作的寄存器、用来存放地址的寄存器、存放段指针等的专用寄存器。通用寄存器，顾名思义就是用户可以用来存放任一操作数，即可以用来进行操作数的计算也可以用来进行地址的计算。通用寄存器的个数越多，微处理器执行指令的速度也就越快。,17,以80486为例，它共配置了8个32位的通用寄存器、如图2.4所示。这八个32位的寄存器不仅可以保存32位数据，以便支持32位的数据操作，还可以进行16位的操作，以便与Intel系列16位机兼容。所以可以把这八个32位通
12、用寄存器的低半段看成是八个16位的通用寄存器。 在进行地址计算和进行绝大多数算术运算及逻辑运算时，这8个寄存器都可以使用，只有少数几条指令要使用专用寄存器保存其操作数。,18, 控制和状态寄存器在微处理器CPU芯片内，还配备有一类起控制操作的寄存器，它们中的大多数，是用户不可见的。而有些对于在控制或操作系统模式下执行的机器指令来说则是可见的。控制和状态寄存器用来对CPU的操作实施控制的寄存器。像程序计数器就是一个控制CPU操作的寄存器中的一个。,19,另一类就是标志寄存器，其内保存着微处理器的各种状态信息和条件信息。例如，反映最近一次算术运算结果的状态、允许中断状态、以及指示CPU当前是运行在
13、特权模式下、还是运行在用户模式下的状态信息。通常设置的是以下一些状态信息或标志信息：符号（Sign）：指示的是算术运算最后结果的符号位。零（Zero）：当计算结果为零时就将这一位置成1。进位（Carry）：在进行算术运算的加法操作时，若出现了最高位有向上的进位，或在进行减法操作时出现了借位，则将这一位置成1，否则，则将该位清成0。等于（Equal）：若在进行逻辑比较时，其结果是相等的，则将该位置成1。溢出（Overflow）：在进行算术运算时，若计算结果超出了微处理器所能表示的数值范围，则表示出现了算术溢出，则将该位置成1。否则，则将该位清成0。允许中断 / 禁止中断：用于允许或禁止中断。,2
14、0,当然，在不同的微处理器内，配备的寄存器不同，其名称和功能也不会相同，使用的术语也会不同。下面列出微处理器上常用的必需的各寄存器类型，并予以简短描述。 在进行指令操作时，有4种寄存器是至关重要的，它们分别是： 程序计数器（PC）：在程序计数器PC内保存着下一条欲被取指令的地址。通常，在每次取指令操作之后，程序计数器的内容即被CPU更改，其内所保存的信息总是将被执行的下一条指令的地址。即使是转移或跳步指令亦要修改程序计数器PC的内容。 指令寄存器（IR）：其内存放着最近取出来将要被执行的指令。从存储器取出来的指令被装入到指令寄存器，然后由译码部件对指令寄存器中的内容进行译码分析，指明是什么类型
15、的指令，并根据操作码指示出操作数的位置。 存储器地址寄存器（MAR）：其内存放着存储器的存储单元的地址信息。 存储器缓冲寄存器（MBR）：其内存放着将要被写入到存储器内的信息或最近刚从存储器内读出待用的信息。,21,其内存放着将要被写入到存储器内的信息或最近刚从存储器内读出待用的信息。当CPU与存储器进行数据交换时，就要用到MAR和MBR寄存器。在总线组织的系统内，MAR直接与地址总线相连，MBR直接与数据总线相连。用户可见的寄存器只能与MBR进行数据交换操作。 以上所述的4个寄存器的作用是：在CPU和存储器之间进行数据信息传送操作。在CPU对信息进行加工处理时，实际上是把数据信息（不管是数值
16、信息还是逻辑信息）提交给ALU，由ALU对数据信息进行加工处理。ALU可对MBR和用户可见寄存器直接进行访问操作。,22,（2） 算术运算和逻辑运算部件ALU ALU 的主要功能是：进行二进制的定点算术运算、逻辑运算和各种移位操作运算。其中的算术运算是指定点的加、减、乘、除运算。逻辑运算主要是逻辑与、逻辑或、逻辑异或、逻辑非操作。通常所说的CPU对信息的加工处理，大多是在ALU上进行的。ALU内的移位器的作用是：用来进行逻辑左移、逻辑右移、算术左移、算术右移以及其他的一些移位操作。由于移位器比用ALU进行移位操作要快的多，通常与ALU一起进行并行操作，可以加速乘、除运算和移位的速度。 ALU内的移位器的作用是进行移位操作，像Intel 的32位系列微处理器芯片上，都配备有一个64位的桶形移位器，用来进行位移、环移以及位操作，协助进行乘法以及其他一些操作。它可以在一个时钟周期内实现64位同时移位操作，也可对任意一种数据类型移任意数量的位。ALU内配置的加法器的功能是进行定点的加、减、乘、除等算术运算，和用来进行操作数地址的计算等操作。ALU能够处理数据的位数和微处理器有关，如Z80单板机，其ALU是8位的；8086微处理机的ALU是16位的；80386、80486和Pentium的ALU则是32位的。,
