【软考S01计算机系统知识】E01 中央处理单元

E01 中央处理单元

计算机系统硬件基本组成
中央处理单元
- 组成
- 功能
多核 CPU

计算机系统硬件基本组成

计算机系统由硬件和软件组成，基本硬件系统由 运算器、控制器、存储器、输入设备 和 输出设备 5大部件组成；

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中央处理单元： 运算器、控制器等部件集成在一起统称为中央处理单元（Central Processing Unit，CPU）；CPU是硬件系统的核心，用于数据的加工处理，可以完成各种算术、逻辑运算及控制功能；
存储器： 存储器是计算机系统中的记忆设备，分为内部存储器和外部存储器；
- 内部存储器：速度高、容量小，存放程序、数据及中间结果；
- 外部存储器：速度慢、容量大，长期保存程序和数据。
外部设备： 输入设备和输出设备合称为外部设备；
- 输入设备：输入原始数据及各种命令；
- 输出设备：输出计算机运行的结果。

中央处理单元

组成

CPU 主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件组成；请添加图片描述

运算器： 由算术逻辑单元 ALU、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器等组成；是数据加工处理部件，用于完成计算机的各种算术和逻辑运算。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以运算器是执行部件；
- 主要功能：
  - 执行所有的算术运算，如：加减乘除等基本运算及附加运算；
  - 执行所有的逻辑运算，如：与或非、零值测试或两个值的比较等；
- 主要部件：
  - 算术逻辑单元（ALU）：负责处理数据，实现对数据的算术运算和逻辑运算；
  - 累加寄存器（AC）：通用寄存器，又称为累加器；当算术逻辑单元执行算术和逻辑运算时，为 ALU 提供一个工作区；运算时可以将中间结果、数字等存放在累加器中；
  - 数据缓冲寄存器（DR）：暂时存放由内存储器读写的一条指令或一个数据字，作为 CPU 和内存、外部设备之间数据传送的中转站；
    累加寄存器与数据缓冲寄存器的区别：
    累加寄存器主要用于存储算术运算的中间结果，而数据缓冲寄存器主要用于数据传输和缓冲；
  - 状态条件寄存器（PWD）：保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果的各种条件码内容，例如运算结果进位标志（C），运算结果溢出标志（V）等；

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控制器： 控制器用于控制整个 CPU 的工作，不仅要保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件。控制器一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑和中断控制逻辑等；
- 主要功能：
  - 指令控制逻辑：完成取指令、分析指令和执行指令的操作；具体过程分为：取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址等；
  - 时序控制逻辑：为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号；
  - 总线逻辑：为多个功能部件服务的信息通路的控制电路；
  - 中断控制逻辑：控制各种中断请求，根据优先级的高低对中断请求进行排队，逐个交给 CPU 处理。
- 主要部件：
  - 指令寄存器（IR）：CPU 执行一条指令时，先从内存储器取到缓冲存储器中，再送入 IR 暂存，指令译码器根据 IR 内容产生各种微操作命令，控制其他的组成部件工作，完成所需的功能；
  - 程序计数器（PC）：程序开始执行前，将程序的起始地址送入 PC，PC 的内容即是第一条指令的地址。程序执行时，CPU 自动修改 PC 的内容，使得其内容保持执行下一条指令的地址。而由于大多数指令都是按照顺序来执行的，所以修改的过程通常只是简单的对 PC 加 1；
  - 地址寄存器（AR）：保存 CPU 当前访问的内存单元的地址；
  - 指令译码器（ID）：指令包含操作码和地址码两个部分，指令译码器对指令中的操作码字段进行分析解释，识别指令规定的操作，向操作控制器发出具体的控制信号，控制各部件工作。

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功能

程序控制： CPU 通过执行指令来控制程序和执行顺序；
操作控制： 一条指令功能的实现需要若干操作信号配合来完成，CPU 产生每条指令的操作信号并将操作信号送往对应的部件，控制相应的部件按指令的功能要求进行操作；
时间控制： CPU 对各种操作进行时间上的控制，对指令的执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行严格控制；
数据处理： CPU 通过对数据进行算术运算和逻辑运算等方式进行加工处理；
此外，CPU 还需要对系统内部和外部的中断（异常）做出响应，进行响应的处理。