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微处理器的组成及其各部分的功能?

归档日期:06-22       文本归类:指令处理部件      文章编辑:爱尚语录

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  推荐于2018-07-23展开全部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。

  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。

  2013-05-27展开全部自从人类1947年发明晶体管以来,50多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集成电路等几代,发展速度之快是其他产业所没有的。半导体技术对整个社会产生了广泛的影响,因此被称为“产业的种子”。中央处理器是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件,伴随着大规模集成电路技术的迅速发展,芯片集成密度越来越高,CPU可以集成在一个半导体芯片上,这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件,被统称为“微处理器”。

  今天,微处理器已经无处不在,无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品,还是汽车引擎控制,以及数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件,也是各种数字化智能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理器建造。

  算术逻辑单元(ALU,Arithmetic Logical Unit);累加器和通用寄存器组;程序计数器(也叫指令指标器);时序和控制逻辑部件;数据与地址锁存器/缓冲器;内部总线。

  算术逻辑单元ALU主要完成算术运算(+、-、×、÷、比较)和各种逻辑运算(与、或、非、异或、移位)等操作。ALU是组合电路,本身无寄存操作数的功能,因而必须有保存操作数的两个寄存器:暂存器TMP和累加器AC(),累加器既向ALU提供操作数,又接收ALU的运算结果。

  寄存器阵列实际上相当于微处理器内部的RAM,它包括通用寄存器组和专用寄存器组两部分,通用寄存器(A,B,C,D)用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。它们一般均可作为两个8位的寄存器来使用。处理器内部有了这些寄存器之后,就可避免频繁地访问存储器,可缩短指令长度和指令执行时间,提高机器的运行速度,也给编程带来方便。专用寄存器包括程序计数器PC()、堆栈指示器SP()和标志寄存器FR(),它们的作用是固定的,用来存放地址或地址基值。其中:

  A)程序计数器PC用来存放下一条要执行的指令地址,因而它控制着程序的执行顺序。在顺序执行指令的条件下,每取出指令的一个字节,PC的内容自动加1。当程序发生转移时,就必须把新的指令地址(目标地址)装入PC,这通常由转移指令来实现。

  B)堆栈指示器SP用来存放栈顶地址。堆栈是存储器中的一个特定区域。它按“后进先出”方式工作,当新的数据压入堆栈时,栈中原存信息不变,只改变栈顶位置,当数据从栈弹出时,弹出的是栈顶位置的数据,弹出后自动调正栈顶位置。也就是说,数据在进行压栈、出栈操作时,总是在栈顶进行。堆栈一旦初始化(即确定了栈底在内存中的位置)后,SP的内容(即栈顶位置)使由CPU自动管理。

  C)标志寄存器也称程序状态字(PSW)寄存器,用来存放算术、逻辑运算指令执行后的结果特征,如结果为0时,产生进位或溢出标志等。

  定时与控制逻辑是微处理器的核心控制部件,负责对整个计算机进行控制、包括从存储器中取指令,分析指令(即指令译码)确定指令操作和操作数地址,取操作数,执行指令规定的操作,送运算结果到存储器或I/O端口等。它还向微机的其它各部件发出相应的控制信号,使CPU内、外各部件间协调工作。

  内部总线用来连接微处理器的各功能部件并传送微处理器内部的数据和控制信号。

  必须指出,微处理器本身并不能单独构成一个独立的工作系统,也不能独立地执行程序,必须配上存储器、输入输出设备构成一个完整的微型计算机后才能独立工作。

  2.存储器微型计算机的存储器用来存放当前正在使用的或经常使用的程序和数据。存储器按读、写方式分为随机存储器RAM(Random Access Memory)和只读存储器ROM(Read only Memory)。RAM也称为读/写存储器,工作过程中CPU可根据需要随时对其内容进行读或写操作。RAM是易失性存储器,即其内容在断电后会全部丢失,因而只能存放暂时性的程序和数据。ROM的内容只能读出不能写入,断电后其所存信息仍保留不变,是非易失性存储器。所以ROM常用来存放永久件的程序和数据。如初始导引程序、监控程序、操作系统中的基本输入、输出管理程序BIOS等。

  输入/输出接口电路是微型计算机的重要组成部件。他是微型计算机连接外部输入、输出设备及各种控制对象并与外界进行信息交换的逻辑控制电路。由于外设的结构、工作速度、信号形式和数据格式等各不相同,因此它们不能直接挂接到系统总线上,必须用输入/输出接口电路来做中间转换,才能实现与CPU间的信息交换。I/O接口也称I/O适配器,不同的外设必须配备不同的I/O适配器。I/O接口电路是微机应用系统必不可少的重要组成部分。任何一个微机应用系统的研制和设计,实际上主要是I/O接口的研制和设计。因此I/O接口技术是本课程讨论的重要内容之一,我们将在第八章中详细介绍。

  总线是计算机系统中各部件之间传送信息的公共通道,是微型计算机的重要组成部件。它由若干条通信线和起驱动,隔离作用的各种三态门器件组成。微型计算机在结构形式上总是采用总线结构,即构成微机的各功能部件(微处理器、存储器、I/O接口电路等)之间通过总线相连接,这是微型计算机系统结构上的独特之处。采用总线结构之后,使系统中各功能部件间的相互关系转变为各部件面向总线的单一关系,一个部件(功能板/卡)只要符合总线标准,就可以连接到采用这种总线标准的系统中,从而使系统功能扩充或更新容易、结构简单、可靠性大大提高。在微型计算机中,根据他们所处位置和应用场合,总线可被分为以下四级,如图1.4所示。

  (1)片内总线:它位于微处理器芯片内部,故称为芯片内部总线。用于微处理器内部ALU和各种寄存器等部件间的互连及信息传送(如图1.3中的内部总线就是片内总线)。由于受芯片面积及对外引脚数的限制,片内总线大多采用单总线结构,这有利于芯片集成度和成品率的提高,如果要求加快内部数据传送速度,也可采用双总线)片总线:片总线又称元件级(芯片级)总线或局部总线。微机主板、单扳机以及其它一些插件板、卡(如各种I/O接口板/卡),它们本身就是一个完整的子系统,板/卡上包含有CPU,RAM,ROM,I/O接口等各种芯片,这些芯片间也是通过总线来连接的,因为这有利于简化结构,减少连线,提高可靠性,方便信息的传送与控制。通常把各种板、卡上实现芯片间相互连接的总线称为片总线或元件级总线。

  相对于一台完整的微型计算机来说,各种板/卡只是一个子系统,是一个局部,故又把片总线称为局部总线,而把用于连接微机各功能部件插卡的总线称为系统总线。局部总线是一个重要的概念,我们将在第七章中讨论。

  (3)内总线:内总线又称系统总线或板级总线。因为该总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统的,如图1.2中所示,所以称之为系统总线。系统总线是微机系统中最重要的总线,人们平常所说的微机总线就是指系统总线,如PC总线、AT总线(ISA总线)、PCI总线等。系统总线是我们要讨论的重点内容之一。

  系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息,因此,系统总线包含有三种不同功能的总线,即数据总线DB(Data Bus)、地址总线AB(Address Bus)和控制总线CB(Control Bus),如图1.2中所示。

  数据总线DB用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线,即他既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其它部件,也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标,通常与微处理的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位,其数据总线位。需要指出的是,数据的含义是广义的,它可以是真正的数据,也可以指令代码或状态信息,有时甚至是一个控制信息,因此,在实际工作中,数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。

  地址总线AB是专门用来传送地址的,由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口,所以地址总线总是单向三态的,这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小,比如8位微机的地址总线位,则其最大可寻址空间为216=64KB,16位微型机的地址总线MB。一般来说,若地址总线为n位,则可寻址空间为2n字节。

  控制总线CB用来传送控制信号和时序信号。控制信号中,有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的,如读/写信号,片选信号、中断响应信号等;也有是其它部件反馈给CPU的,比如:中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此,控制总线的传送方向由具体控制信号而定,一般是双向的,控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。

  (4)外总线:也称通信总线。用于两个系统之间的连接与通信,如两台微机系统之间、微机系统与其他电子仪器或电子设备之间的通信。常用的通信总线总线串行总线等。外总线不是微机系统本身固有的,只有微型机应用系统中才有。

  根据微处理器的应用领域,微处理器大致可以分为三类:通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器。一般而言,通用处理器追求高性能,它们用于运行通用软件,配备完备、复杂的操作系统;嵌入式微处理器强调处理特定应用问题的高性能,主要用于运行面向特定领域的专用程序,配备轻量级操作系统,主要用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电;微控制器价位相对较低,在微处理器市场上需求量最大,主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。

  CPU是Central Processing Unit(中央微处理器)的缩写,它是计算机中最重要的一个部分,由运算器和控制器组成。如果把计算机比作人,那么CPU就是人的大脑。CPU的发展非常迅速,个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium 4时代,只经过了不到二十年的时间。

  从生产技术来说,最初的8088集成了29000个晶体管,而PentiumⅢ的集成度超过了2810万个晶体管;CPU的运行速度,以MIPS(百万个指令每秒)为单位,8088是0.75MIPS,到高能奔腾时已超过了1000MIPS。不管什么样的CPU,其内部结构归纳起来都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分,这三个部分相互协调,对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。

  CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了,这期间,按照其处理信息的字长,CPU可以分为:4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及正在酝酿构建的64位微处理器,可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。

  展开全部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。

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