中央處理器（CPU）
目錄
1. 中央處理器（CPU）
1.1什麼是CPU ？
當用計算機解決某個問題時，我們首先必須為它編寫程式。程式是一個指令序列，這個序列明確告訴計算機應該執行什麼操作，在什麼地方找到用來操作的資料。一旦把程式裝入記憶體儲器，就可以由計算機來自動完成取出指令和執行指令的任務。專門用來完成此項工作的計算機部件稱為中央處理器，通常簡稱CPU。CPU是計算機系統的核心組成部件。
1.2CPU的功能主要有哪些？
指令控制：產生下一條指令在記憶體中的地址。
操作控制：產生各種操作訊號送往相應部件，以控制完成指令所要求的動作。
時序控制：對各操作訊號實施時間上的控制，以保證計算機有條不紊地連續自動工作。
（CPU的基本功能就是對指令流和資料流在時間與空間上實施正確的控制）
1.3CPU的組成部分包括哪些？
控制部件
運算部件
暫存器組
CPU內部資料通路
在現代計算機中還要包括cache
1.4什麼是控制器？
控制器是全機的指揮中樞。它根據工作程式的指令序列、外部請求、控制檯操作去指揮和協調全機的工作
1.5什麼是作業系統？
現代計算機的功能日益強大、結構日益複雜。不能想象由人來直接管理這樣複雜的機器，必須由軟體系統來代替人管理機器 自動的工作。這個軟體就是作業系統
【現代計算機的作業系統也是十分龐大複雜的。這樣龐大的軟體系統不可能全部駐留在記憶體中，只能儲存在輔存（磁碟、磁帶）上。在開機後按需要裝入主儲存器執行。作業系統的一小部分核心程式（BIOS）必須固化在ROM中，安裝在主機板上，保證機器一上電就可以立即執行。 機器一加電，立即開始執行BIOS程式。自動到系統磁碟的0道裝入載入程式Boot，該程式裝入主存執行後把作業系統的常駐記憶體部分裝入記憶體，建立相應的環境，管理計算機的資源，等待使用者的命令。】
1.6BIOS設定和CMOS設定的區別與聯絡
1.BIOS(Basic Input/Output System)是軟體、程式； CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor——互補金氧半導體(本意是指互補金氧半導體儲存囂，是一種大規模應用於積體電路晶片製造的原料))是晶片、硬體； 通過BIOS程式，可以設定CMOS裡的引數；
2.CMOS是主機板上的一塊可讀寫的RAM 晶片，裡面裝的是關於系統配置的具體引數，其內容可通過設定程式進行讀寫。CMOS RAM 晶片靠後備電池供電，即使系統掉電後資訊也不會丟失。BIOS與CMOS既相關又不同：BIOS中的系統設定程式是完成CMOS引數設定的手段；CMOS RAM既是BIOS設定系統引數的存放場所，又是 BIOS設定系統引數的結果。因此，完整的說法應該是"通過BIOS設定程式對CMOS引數進行設定"。由於 BIOS和CMOS都跟系統設定密初相關，所以在實際使用過程中造成了BIOS設定和CMOS設定的說法，其實指的都是同一回事，但BIOS與CMOS卻是兩個完全不同的概念，千萬不可搞混淆。
2.控制器的功能
①取指令 Fetch the Instruction from Memory
發出指令地址及訪存控制訊號。將指令從主存取入CPU。
②分析指令 Decode the Instruction
對指令譯碼，分析它要求的操作。形成運算元有效地址。
③執行指令 Execute the Instruction
按照運算元有效地址取出運算元，並按操作性質形成相應的操作控制訊號序列，完成指令的各種操作（包括對運算結果的處理）。形成下一條指令的地址。
④控制主機與I/O裝置交換資訊（控制輸入輸出）
⑤對異常情況和某些請求的處理
能響應來自外部和內部的請求，處理一些異常情況和事件。
（控制器的基本功能是周而復始的按一定順序逐條取指令，分析指令，執行指令，再取下一條指令，……直至停機。）
2.1取指令操作
首先把程式計數器PC的內容送到地址匯流排，接著發出儲存器讀命令，等待一段時間後，從資料匯流排將取出的指令讀入並送到CPU的指令暫存器IR。
2.2訪問儲存器取運算元
首先把主存地址暫存器AR的內容送到地址匯流排，接著發出儲存器讀命令，等待一段時間後，從資料匯流排將讀出的資料讀入並送到CPU的資料暫存器DR。
2.3資料寫到儲存器
首先把主存地址暫存器AR的內容送到地址匯流排，資料暫存器DR的內容送到資料匯流排，接著發出儲存器寫命令，等待一段時間後儲存器寫週期結束。
2.4前面三個操作的圖
3.控制器的組成
程式計數器PC
程式計數器是用來存放要取的下一條指令在儲存器的地址的，有自動加1功能。
程式計數器的位數取決於CPU能夠訪問的程式儲存空間的大小。
當程式是順序執行時，每取一個指令字，程式計數器PC自動加1，形成下一條指令的地址。
當程式發生轉移時，用轉移目標地址取代PC原來的值作為下一條指令的地址。
指令暫存器IR
指令暫存器IR是用來存放（從儲存器取來）當前正在執行的指令的，指令暫存器的位數取決於指令字長。
指令譯碼器ID
指令譯碼器的功能是對指令暫存器中的指令的操作碼進行分析（譯碼），決定應該執行的基本操作。
脈衝源及啟停線路
產生一定頻率的脈衝訊號作為機器的時鐘脈衝。產生Reset訊號。
時序訊號形成部件
為了保證指令及各個微操作的執行按正確順序完成，需要相應的控制指令週期、機器週期的節拍電位、節拍脈衝等。
微操作控制訊號形成部件
根據指令分析的結果和時序訊號，產生相應的微操作控制訊號。
4.一條指令的執行過程
指令週期的基本概念：
計算機所以能自動地工作，是因為CPU能從存放程式的記憶體裡取出一條指令並執行這條指令；緊接著又是取指令，執行指令……，如此周而復始，構成了一個封閉的迴圈。除非遇到停機指令，否則這個迴圈將一直繼續下去。
指令格式為：
rs,rd為源/目的運算元地址，rs1為另一源運算元地址，imm/disp為立即數或位移量。rs,rd和rs1均為通用暫存器的地址。
•指令週期 CPU從記憶體取出一條指令並執行這條指令的時間總和。
•CPU週期 又稱機器週期，CPU訪問一次記憶體所花的時間較長，因此用從記憶體讀取一條指令字的最短時間來定義。
•時鐘週期 通常稱為節拍脈衝或T週期。一個CPU週期包含若干個時鐘週期。
下圖示出了採用定長CPU週期的指令週期示意圖。
4.1加法指令的執行過程
加法指令的功能：將暫存器rs中的一個數與儲存器中的一個數（地址為（rs1）+disp）相加，結果放在暫存器rd中。
操作表示式：（rs）+（（rs1）+disp）→rd
以上操作需4個機器週期。其中：
取指令和取數週期通過匯流排訪存。
計算地址和運送結果週期是在CPU內部操作，不使用匯流排。
4.2條件轉移指令的執行過程
條件轉移指令的功能：根據狀態標誌暫存器中相關標誌的狀態決定是否轉移。如果轉移條件成立，則轉移到指令指定的目標地址，否則順序執行下一條指令。
