挑戰408——組成原理（20）——CPU的功能和組成
?上一篇就剛剛好把指令的知識講完了，原本應該寫至少一篇指令系統刷題的。但是無奈，實習生活還是比較累的，為了質量，還是決定周末再寫刷題版。
CPU的功能和組成
中央處理器（Control Processing Unit），是控制計算機自動完成取出指令跟執行指令的部件。是計算機的核心部件。 前面的概論我們知道，CPU主要是由運算器跟控制器組成。其中，運算器的功能是對數據進行加工，而控制器的功能是負責協調並控制各部件的指令序列（比如取指令，分析指令等等）。
CPU的具體功能包括：
- 指令控制
- 操作控制
- 時間控制
- 數據加工
- 中斷處理
CPU通過下面的三種方式，指揮全機運作：
1. 按規定的操作執行（即程序的順序執行）
2. 自動執行
3. 有秩序的執行
結合之前學過的指令系統知識，可以通過下面的視頻來了解指令的執行過程。
在計算機系統中，CPU由運算器跟控制器組成。
運算器
運算器主要接收從控制器處傳來的命令，並執行相應的操作，對數據進行加工處理，主要以下面的幾部分組成
- 算術邏輯單元（ALU）：主要進行算術/邏輯運算
- 暫存寄存器：用於暫存從主存讀出來的數據，該數據不能放在通用寄存器上，對應用程序員透明。
- 累加寄存器（ACC）：一個通用寄存器組，用來暫存ALU的運算結果，當ALU執行算術和邏輯運算的時候，為ALU童工一個工作區（比如我們之前提到過的R1+R2 ->R1）
- 通用寄存器組：AX,BX,CX,DX.SP等等，用於存放操作數（包括源操作數，目的操作數以及中間結果）和各種地址信息。SP是堆棧指針，用於指向棧頂的地址。
- 程序狀態字信息（PSW）: 用來表示各種工作狀態信息跟中斷情況。如下圖所示：
- 移位器：對操作數或者運算結果進行以為操作
- 計數器：控制乘除運算的步數
控制器
控制器是整個系統的指揮中心，在其控制下，使運算器，存儲器和輸入輸出設備等功能部件構成一個有機整體。其基本功能是執行指令。每條指令的執行是由控制器發出的一組微操做實現的。主要由以下幾部分組成：
- 程序計數器（PC）：用於指出下一條指令在主存中的存放地址，CPU是根據PC中的內容去取得指令的。
- 指令寄存器（IR）：用來保存從存儲器中取出，正在執行的指令，在執行該指令的過程中，指令寄存器的內容不允許更改，以確保實現指令的全部功能。
- 指令解碼器：對操作碼欄位進行解碼，向控制器提供特定操作信號。
- 存儲器地址寄存器（MAR）：用於存放將要訪問的主存單元的地址。
- 存儲器數據寄存器（MDR）：用於存放向主存寫入/讀出的信息。
- 時序系統：用於產生各種時序信號。由統一時鐘分頻所得。
- 微操作信號發生器：由IR,PSW的內容以及時序信號，產生控制整個計算機系統所需的各種控制信號。
控制器的原理，是根據指令操作碼，執行步驟，條件信號來形成當前計算機各部件所要的控制信號。
寄存器的可見性
CPU內部的寄存器大致可以分成兩種;
1. 用戶可見寄存器：用戶可以通過程序去訪問的寄存器（如通用寄存器，PSW, PC等等）。 2. 用戶不可見寄存器：程序無法訪問，在程序的執行過程中自動賦值（如MAR,MDR IR等等）
指令的執行過程
指令周期
指令周期：從取指令，分析指令，到執行完該指令所需要的全部時間，稱為指令周期。也就是CPU完成一條指令的時間。
機器周期：也稱為CPU周期，把一條指令周期劃分為若干個機器周期，每個機器周期內完成一個基本操作，不同的指令可能包含不同數目的機器周期。通常它等於取指時間或者訪存時間。
T周期：也稱時鐘周期或者節拍，是CPU操作的最基本的單位。在一個機器周期內，要完成若干個微操作，因而需要分成若干個時間段。所以也稱為節拍T。節拍的寬度取決於CPU完成一次基本的微操作所需要的時間。下圖說明了三者間的相互關係：
對於一些執行期間不需要訪存的指令，比如Jump，X.,這是一條無條件轉移指令，此時指令周期僅僅包含取指周期和執行周期。但是對於間接定址指令，為了取操作數，需要先訪問內存一次，取出有效地址後，再訪問主存，取出操作數，所以這種操作還包括間址周期。當CPU採用中斷方式實現主機跟I/O設備的信息交換的時候，如果有中斷請求，則CPU進入中斷響應階段，此時又稱為中斷周期。這樣，完整的指令周期為：
實際上，每個周期都有CPU在訪存，只不過是訪存的目的不同，分別為取指令，取EA，取操作數，保存斷點。
指令的執行過程：
取指周期：根據PC中的內容，聰明和主存中取出指令代碼，並放在IR中。（即CPU從何處取指，如何形成後續的指令）
間址周期：取操作數的有效地址
執行周期：根據IR中指令字的操作碼，操作數，通過ALU操作產生結果。
中斷周期：處理中斷請求，將程序斷點存入堆棧中，SP指示棧頂地址，則進棧操作是先秀海棧頂指針，後存入數據（那麼出棧的操作我們前面說過）。
下面的視頻是指令的執行過程（建議下載後觀看）：
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