目錄0 參考資料1 運算器、控制器、寄存器1.1 控制器1.2 運算器1.3 寄存器

0 參考資料

10分鐘看懂CPU構造原理 https://new.qq.com/rain/a/20200511A0814P00
電腦硬件入門——基礎之CPU架構解讀 https://zhuanlan.zhihu.com/p/65840506
計算機硬件系統—CPU（運算器和控制器）（一） https://www.jianshu.com/p/defc60406dc1
Caffee Lake-英特爾CPU微架構 (第八代處理器) https://en.wikichip.org/wiki/intel/microarchitectures/coffee_lake
第一章 計算機系統概論 https://www.pianshen.com/article/55491435509/
CPU組成 https://wenku.baidu.com/view/410842cd2cc58bd63186bd6f.html
五分鐘理解主存儲器的基本組成結構 https://www.cnblogs.com/codevald/p/codevald2.html
CPU中的主要寄存器 https://blog.csdn.net/kwame211/article/details/77773621

1 運算器、控制器、寄存器

CPU內部主要由運算器、控制器、寄存器三大部分組成。

運算器 負責算術運算（+ - * / 基本運算和附加運算）和邏輯運算（包括 移位、邏輯測試或比較兩個值等）。
控制器 負責應對所有的信息情況，調度運算器把計算做好。
寄存器 它們可用來暫存指令、數據和地址。既要對接控制器的命令，傳達命令給運算器；還要幫運算器記錄處理完或者將要處理的數據。

1.1 控制器

控制器由程序計數器（PC，Program Counter）、指令寄存器（IR，Instruction Register）、指令譯碼器（ID，Instruction Decoder）、時序產生器（Timing Generator）、操作控制器（Control Unit）組成。
指令寄存器IR，是用來存放當前正在執行的的一條指令，存放的內容來自于數據寄存器（DR，Data Register）。當一條指令需要被執行時，先要把它從內存取到數據寄存器，然后再送到指令寄存器IR中。
指令譯碼器ID，在計算機執行一條指定的指令時，必須首先分析這條指令的操作碼是什么，以決定操作的性質和方法，然后控制計算機的其他各部件協同完成指令表達的功能，這中間的分析工作就是指令譯碼器ID完成的。
程序計數器PC，用來存放下一條要執行指令的地址，它與存儲器（內存）之間有一條直接通路。執行指令時，首先需要根據程序計數器PC中存放的指令地址，將指令由內存取到指令寄存器IR，完成“取指令”的操作。程序計數器PC本身具有自動加1的功能，可以自動給出下一條指令的地址，如此循環，執行每一條指令。
時序產生器，類似于“時間作息表”，給計算機各部分提供工作所需的時間標志，一般是利用定時脈沖的順序和不同的脈沖間隔來實現。
操作控制器，根據指令所需完成的操作和信號，發出各種微操作命令序列，用以控制所有被控對象，完成指令的執行。
整個控制器的運行邏輯是先按照程序計數器所指出的指令地址，從內存中取出一條指令到指令寄存器IR，然后指令譯碼器ID對指令進行分析，之后操作控制器根據指令的功能向有關部件發出控制命令，執行控制指令的操作。完成操作之后，程序計數器加1，再重復執行上述操作。

1.2 運算器

運算器，一般最少包括3個寄存器和1個算術邏輯單元(ALU)，現代計算機內部往往設有通用寄存器組。

寄存器，一種有限存儲容量的高速存儲部件，可用來暫存指令、數據和位址。寄存器有很多種類，一般涉及到四則運算的有3類，ACC（Accumulator）為累加器，MQ（Multiplier-Quotient Register）為乘商寄存器，X為操作數寄存器，3類寄存器在完成不同運算時，所存放的操作數類別也各不相同。

關于乘積高位和乘積低位的概念，以十進制為例，百位就是十位的高位，十位是百位的低位。兩個16位數相乘，結果可能會有32位，那左半部分的16位就是乘積高位，存儲到ACC中，右半部分的16位就是乘積低位，存儲到MQ中。
算術邏輯單元（ALU，Arithmetic and Logic Unit），是算術運算和邏輯運算的部件。算術運算包括加、減、乘的整數運算，邏輯運算是與、或、非和異或等邏輯操作，還有移位、比較和傳送等操作。
移位運算，將一個字符向左或向右移動位，或是浮動特定位，包含帶符號延伸和無符號延伸，在程序中應用很廣泛。

1.3 寄存器

在CPU中至少要有六類寄存器：指令寄存器（IR）、程序計數器（PC）、地址寄存器（AR）、數據寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、程序狀態字寄存器（PSW）。這些寄存器用來暫存一個計算機字，其數目可以根據需要進行擴充。

數據寄存器
數據寄存器（Data Register，DR）又稱數據緩沖寄存器，其主要功能是作為CPU和主存、外設之間信息傳輸的中轉站，用以彌補CPU和主存、外設之間操作速度上的差異。
數據寄存器用來暫時存放由主存儲器讀出的一條指令或一個數據字；反之，當向主存存入一條指令或一個數據字時，也將它們暫時存放在數據寄存器中。
數據寄存器的作用是 ：
（1）作為CPU和主存、外圍設備之間信息傳送的中轉站；
（2）彌補CPU和主存、外圍設備之間在操作速度上的差異；
（3）在單累加器結構的運算器中，數據寄存器還可兼作操作數寄存器。

指令寄存器
指令寄存器（Instruction Register，IR）用來保存當前正在執行的一條指令。
當執行一條指令時，首先把該指令從主存讀取到數據寄存器中，然后再傳送至指令寄存器。
指令包括操作碼和地址碼兩個字段，為了執行指令，必須對操作碼進行測試，識別出所要求的操作，指令譯碼器（Instruction Decoder，ID）就是完成這項工作的。指令譯碼器對指令寄存器的操作碼部分進行譯碼，以產生指令所要求操作的控制電位，并將其送到微操作控制線路上，在時序部件定時信號的作用下，產生具體的操作控制信號。
指令寄存器中操作碼字段的輸出就是指令譯碼器的輸入。操作碼一經譯碼，即可向操作控制器發出具體操作的特定信號。

程序計數器
程序計數器（Program Counter，PC）用來指出下一條指令在主存儲器中的地址。
在程序執行之前，首先必須將程序的首地址，即程序第一條指令所在主存單元的地址送入PC，因此PC的內容即是從主存提取的第一條指令的地址。
當執行指令時，CPU能自動遞增PC的內容，使其始終保存將要執行的下一條指令的主存地址，為取下一條指令做好準備。若為單字長指令，則(PC)+1àPC，若為雙字長指令，則(PC)+2àPC，以此類推。
但是，當遇到轉移指令時，下一條指令的地址將由轉移指令的地址碼字段來指定，而不是像通常的那樣通過順序遞增PC的內容來取得。
因此，程序計數器的結構應當是具有寄存信息和計數兩種功能的結構。

地址寄存器
地址寄存器（Address Register，AR）用來保存CPU當前所訪問的主存單元的地址。
由于在主存和CPU之間存在操作速度上的差異，所以必須使用地址寄存器來暫時保存主存的地址信息，直到主存的存取操作完成為止。
當CPU和主存進行信息交換，即CPU向主存存入數據/指令或者從主存讀出數據/指令時，都要使用地址寄存器和數據寄存器。
如果我們把外圍設備與主存單元進行統一編址，那么，當CPU和外圍設備交換信息時，我們同樣要使用地址寄存器和數據寄存器。

累加寄存器
累加寄存器通常簡稱累加器（Accumulator，AC），是一個通用寄存器。
累加器的功能是：當運算器的算術邏輯單元ALU執行算術或邏輯運算時，為ALU提供一個工作區，可以為ALU暫時保存一個操作數或運算結果。
顯然，運算器中至少要有一個累加寄存器。

程序狀態字寄存器
程序狀態字（Program Status Word，PSW）用來表征當前運算的狀態及程序的工作方式。
程序狀態字寄存器用來保存由算術/邏輯指令運行或測試的結果所建立起來的各種條件碼內容，如運算結果進/借位標志（C）、運算結果溢出標志（O）、運算結果為零標志（Z）、運算結果為負標志（N）、運算結果符號標志（S）等，這些標志位通常用1位觸發器來保存。
除此之外，程序狀態字寄存器還用來保存中斷和系統工作狀態等信息，以便CPU和系統及時了解機器運行狀態和程序運行狀態。
因此，程序狀態字寄存器是一個保存各種狀態條件標志的寄存器。

注意：
MAR/MDR 在CPU中
MAR（地址寄存器）的作用是：用來存放預訪問的存儲單元的地址，其位數對應存儲單元的個數。
MDR（數據寄存器）的作用是：是存儲器數據寄存器，用來存放從存儲體某單元取出的代碼。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的CPU基础知识CPU的组成 运算器、控制器、寄存器的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。