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第三章CPU、指令系统、总线系统 第一节 CPU 复习要求 了解CPU各组成部分的功能 了解一些典型的CPU技术 知识精讲 一、CPU的功能及组成 1．CPU的功能 进行算术逻辑运算 可接收和发送数据 可暂存少量数据 提供控制信号 对指令进行译码 2．CPU的组成 在计算机中，中央处理器是由运算器、控制器及寄存器组成，简称CPU；在微机中，用大规模集成电路工艺将控制器和运算器集成在一块芯片上，又称作微处理器，简称MPU或μP，内存储器与CPU常做在一个箱体中，也称作主机，其余设备通过电缆、接口电路与主机相连，称为外部设备。 1）运算器 运算器是对数据进行运算和操作的部件，运算器能根据指令功能对数据进行加、减、乘、除等基本算术运算以及各种逻辑运算。运算所需的数据由内存储器或其它存储设备提供，运算后结果既可以暂存于寄存器中，也可以送回存储器保存。 运算器主要包含以下几部分： ①算术逻辑单元(ALU)：主要完成算术运算（加、减、乘、除）以及各种逻辑运算（与、或、非、异或等）。由于算术逻辑单元具有移位及传递功能，因此还能实现各种逻辑操作如比较和各种移位运算。 ②累加寄存器：又称累加器，负责向CPU提供操作数，又接收ALU的运算结果，所以累加器主要完成累加操作，同时存放运算结果或暂存运算的中间结果。 ③通用寄存器：相当于RAM，用来存放参与运算的数据、中间结果或地址，它们一般均可作为寄存器来使用。CPU内部有了这些寄存器之后，可避免频繁地访问存储器，缩短了指令的长度和指令执行时间，提高机器的运行速度。 ④标志寄存器：存放运算结果的特征，如进位标志、溢出标志，标志寄存器随机器的不同而有不同的用法和规定。 ⑤定时与控制逻辑：负责对全机进行控制，包括从存储器中取指令、分析指令（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，同时向其它部件发出相应的控制信号，使CPU内、外各部件间协调工作。 运算器的运算速度是衡量一台计算机性能好坏的重要指标，常以每秒执行加法指令的条数作为衡量速度的标准，即每秒百万条指令MIPS。 2）控制器 控制器是计算机的指挥中心，它负责指挥和控制其它各部件使之有条不紊地进行工作，它主要由程序计数器(或称指令计数器)、指令寄存器、指令译码器以及时序发生器、微程序控制器等组成。各部分的作用如下： ①程序计数器（PC）：用于指示程序执行的顺序，存放后继指令的地址。 程序计数器的功能是指示程序的执行顺序，当取指令时，把PC的内容经过地址总线关入存储器的地址寄存器中，从这个地址中读出指令，再经数据总线送入指令寄存器。PC同时具备自动加1和接收数据的能力。当程序顺序执行时，CPU会根据PC的值取出一条指令，且每当取出一条指令PC自动加1，当程序出现转移时，则CPU先将转移地址送入PC，然后由PC指向新的程序地址，当中断发生时能够接收中断逻辑形成的中断入口地址，因此程序执行的顺序是由控制器的PC来控制的。 ②指令寄存器（IR）：用来寄存当前要执行的指令；CPU根据PC所指的地址到相应的主存中取出当前要执行的指令存入指令寄存器中。 ③指令译码器（ID）：指令译码器主要对指令寄存器IR中的指令进行分析，产生相应指令的所有操作控制信号，包括确定指令的类型、指令要完成的操作以及操作数和运算结果的存放地址。 ④时序发生器：用于产生一定的时序脉冲和节拍电位来控制计算机按节拍有时序地工作。 二、典型的CPU技术 1．RISC技术： RISC精简指令系统计算机，RISCCPU技术，RISC与CISC相比，其实质是尽量简化指令系统，尽量使用寄存器指令，指令操作尽量在一个周期内完成，指令格式尽量一致。 2．流水线(pipeline) 技术： 流水线术是InteI首次在486芯片中开始使用的。在CPU中由5~6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5~6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。 3．超流水线(Superpiplined) 超流水线是指CPU内部的流水线超过通常的5~6步以上，例如Pentium pro的流水线就长达14步。将流水线设计的步(级)数越多，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。这一点我们可以用日常事例来说明，比如栽树时由5个人同时栽10棵(一人两棵)所完成的速度当然没有10人同时栽(一人一棵)所完成的速度快。 4．超标量技术(Superscalar) 超标量是指在CPU中有一条以上的流水线，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令。 5．乱序执行技术(Out-Of-Orderexecution) 乱序执行是指CPU采用了允许将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术也有叫错序执