第八章 CPU
本章从分析CPU的功能和内部结构入手， 详细讨论机器完成一条指令的全过程，以及为了进一步提高数据的处理能力，开发系统的并行性所采取的流水技术。此外，本章还进一步概括了中断技术在提高整机系统效能方面的作用。
第一节 CPU的功能和结构
一、CPU的功能
CPU是由运算器和控制器组成的， 在这里我们重点介绍控制器的功能。
对于冯·诺依曼结构的计算机而言，一旦程序进入存储器后，就可由计算机自动完成取指令和执行指令的任务，控制器就是专用于完成此项任务的，它负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，其基本功能是取指令、分析指令和执行指令。
1．取指令
控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能。为此，要求控制器能自动形成指令的地址，并能发出取指令的命令，将对应此地址的指令取到控制器中。第一条指令的地址可以人为指定，也可由系统设定。
2．分析指令
分析指令包括两部分内容，其一，分析此指令要完成什么操作，即控制器需发出什么操作命令；其二，分析参与这次操作的操作数地址，即操作数的有效地址。
3．执行指令
执行指令就是根据分析指令产生的“操作命令”和“操作数地址”的要求，开成操作控制信号序列（不同的指令有不同的操作控制信号序列），通过对运算器、存储器以及I/O设备的操作，执行每条指令。
此外，控制器还必须能控制程序的输入和运算结果的输出（即控制主机与I/O交换信息）以及对总线的管理， 甚至能处理机器运行过程中出现的异常情况和特殊请求，即处理中断的能力。
总之， CPU必须具有控制程序的顺序执行（称指令控制）、产生完成每条指令所需的控制命令（称操作控制）、对各种操作实施时间上的控制（称时间控制）、对数据进行算术运算和逻辑运算（数据加工）和处理中断等功能。
二、CPU结构框图
CPU由四大部分组成：地址寄存器， 用于存放当前指令的地址；指令寄存器，用来存放当前指令和对指令的操作码进行译码；控制部件，能发出各种操作命令序列；ALU， 用来完成算术运算和逻辑运算；为了处理异常情况和特殊请求，还必须有中断系统。其结构如下图所示。
若将其进一点细化，则得到下图：
三、CPU的寄存器
1．用户可见寄存器
通常CPU执行机器语言访问的寄存器为用户可见寄存器， 按其特征又可分为以下几类：
(1)通用寄存器。通用寄存器可由程序设计者指定许多功能，可用于存放操作数，也可作为满足某种寻址方式所需的寄存器。基址寻址所需的基址寄存器、变址寻址所需的变址寄存器和堆栈寻址所需的栈指针，都可用通用寄存器代替。寄存器间接寻址时还可用通用寄存器存放有效地址的地址。
(2)数据寄存器。数据寄存器用于存放操作数，其位数应满足多数数据类型的数值范围，有些机器允许使用两个连读的寄存器存放双倍字长的值。还有些机器的数据寄存器只能用于保存数据，不能用于操作数地址的计算。
(3)地址寄存器。地址寄存器用于存放地址，其本身可以具有通用性，也可用于特殊的寻址方式，如用于基址寻址的段指针(存放基地址)、用于变址寻址的变址寄存器和用于堆栈寻址的栈指针。地址寄存器的位数必须足够长，以满足最大的地址范围。
(4)条件代码寄存器。这类寄存器中存放条件码，它们对用户来说是部分透明的。条件码是CPU根据运算结果由硬件设置的位(bits)， 如算术运算会产生正、负、零或溢出等结果。条件码可被测试，作为分支运算的依据。此外，有些条件码也可被设置，如最高位进位标志C，可用指令对它置位和复位。将条件码放到一个或多个寄存器中，就构成了条件码寄存器。
在调用子程序前，必须将所有的用户可见寄存器的内容保存起来，这种保存可由CPU自动保存， 也可由程序员编程保存，视不同机器不同处理。
2．控制和状态寄存器
CPU中还有一类寄存器用于控制CPU的操作或运算。在一些机器里，大部分这类寄存器对用户是透明的。如以下四种寄存器在指令执行过程中起重要作用。
·MAR存储器地址寄存器，用于存放将被访问的存储单元的地址；
·MDR存储器数据寄存器， 用于存放欲存入存储器中的数据或最近从存储器中读出的数据；
·PC程序计数器，存放现行指令的地址，通常具有计数功能。当遇到转移类指令时，PC的值可被修改；
·IR指令寄存器，存放当前欲执行的指令。
通过这四个寄存器，CPU和主存可交换信息。 例如，将现行指令地址从PC送至MAR， 启动存储器作读操作，存储器就可将指定地址单元内的指令读至MDR，再由MDR送至IR。
在CPU内部必须给ALU提供数据，因此ALU必须可直接访问MDR和用户可见寄存器，ALU的外围还可以有另一些寄存器，这些寄存器用于ALU的输入/输出以及用于和MDR及用户可见寄存器交换数据。
在CPU的控制和状态寄存器中，还有用来存放程序状态字PSW的寄存器，该寄存器用来存放条件码和其他状态信息。在具有中断系统的机器中还有中断标记寄存器。
3．举例
不同机器的CPU中，寄存器组织是不一样的，下图画出了Z8000、8086和MC68000三种机器的寄存器组织。
Zilog Z8000有16个16位的通用寄存器， 这些寄存器可存放地址、数据，也可作为变址寄存器，其中有两个寄存器被用作栈指针，寄存器可被用作8位和32位的运算。 Z8000中有5个与程序状态有关的寄存器：其中1个用于存放状态标记，2个用于程序计数器，2个用于存放偏移量。确定一个地址需要两个寄存器。
Intel 8086采用不同的寄存器组织，尽管某些寄存器可以通用，但它的每个寄存器大多是专用。它有4个16位的数据寄存器，即AX(累加器)，BX (基址寄存器)，CX(计数寄存器)和DX(数据寄存器)，也可兼作8个8位的寄存器(AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH、DL)。另外还有2个16位的指针(栈指针SP和基址指针BP)和2个变址寄存器(源变址寄存器SI和目的变址寄存器DI)。在一些指令中，寄存器是隐式使用的，如乘法指令总是用累加器。8086还有4个段地址寄存器(代码段CS，数据段DS，堆栈段SS和附加段ES)以及指令指针IP(相当于PC)和状态标志寄存器F。
Motoro1a MC68000的寄存器组织介于Zilog和Inte1微处理器之间，它将32位寄存器分为8个数据寄存器(D0～D7)和9个地址寄存器(A0～A7′)。数据寄存器主要用于数据运算，当需要变址时，也可作变址寄存器用。寄存器允许8位、16位和32位的数据运算，这由操作码确定。地址寄存器存放32位地址(没有段)，其中两个(A7和A7′)也可用作堆栈指针，分别供用户和操作系统使用。针对当前执行的模式，这两个寄存器在某个时刻只能用一个。此外，MC68000还有一个32位的程序计数器PC和一个16位的状态寄存器。
与Zilog的设计者类似，Motorola设计的寄存器组织也不含专用寄存器。
四、控制单元CU和中断系统
控制单元CU是提供完成机器全部指令操作的微操作命令序列部件。现代计算机中微操作命令序列的形成方法有两种，一种是组合逻辑设计方法，为硬联线逻辑；另一种是微程序设计方法，为存储逻辑。
中断系统主要用于处理计算机的各种中断。
