【筆記】CPU的結構和功能（一）
一、CPU的結構
1.CPU的功能
（1）取指令
控制器必須具備能自動地從儲存器中取出指令的功能
（2）分析指令
分析指令包括兩部分內容：其一，分析此指令要完成什麼操作，即控制器需發出什麼操作命令；其二，分析參與這次操作的運算元地址，即運算元的有效地址。
（3）執行指令
執行指令就是根據分析指令產生的“操作命令”和“運算元地址”的要求，形成操作控制訊號序列，通過對運算器、儲存器以及I/O裝置的操作，執行每條指令。
CPU必須具有控制程式的順序執行（稱指令控制）、產生完成每條指令的控制命令（稱操作控制）、對各種操作加以時間上的控制（稱時間控制）、對資料進行算術運算和邏輯運算（稱資料加工
2.CPU結構框圖
3.CPU的暫存器
CPU中的暫存器大致可分為兩類：一類屬於使用者可見暫存器，使用者可對這類暫存器程式設計，以及通過優化使CPU因使用這類暫存器而減少對主存的訪問次數；另一類屬於控制和狀態暫存器，使用者不可對這類暫存器程式設計，它們被控制部件使用，以控制CPU的操作，也可被帶有特權的作業系統程式使用，從而控制程式的執行。
使用者可見暫存器
（1）通用暫存器
通用暫存器可由程式設計者指定許多功能，可用於存放運算元，也可作為滿足某種定址方式所需的暫存器。暫存器間接定址時還可用通用暫存器存放有效地址的地址。
（2）資料暫存器
資料暫存器用於存放運算元，其位數應滿足多數資料型別的數值範圍。
（3）地址暫存器
地址暫存器用於存放地址，其本身可以具有通用性，也可用於特殊的定址方式。
（4）條件碼暫存器
條件碼是CPU根據運算結果由硬體設定的位。將條件碼放到一個或多個暫存器中，就構成了條件碼暫存器。
控制和狀態暫存器
MAR：儲存器地址暫存器，用於存放將被訪問的儲存單元的地址。
MDR：儲存器資料暫存器，用於存放欲存入儲存器中的資料或最近從儲存器中讀出的資料。
PC：程式計數器，存放現行指令的地址，通常具有計數功能。當遇到轉移類指令時，PC的值可被修改。
IR：指令暫存器，存放當前欲執行的指令。
PSW：程式狀態字暫存器，存放條件碼和其他狀態資訊。
在具有中斷系統的機器中還有中斷標記暫存器。
4.控制單元和中斷系統
控制單元（CU）是提供完成計算機全部指令操作的微操作命令序列部件。微操作命令序列的形成方法有兩種：一種是組合邏輯設計方法，為硬連線邏輯；另一種是微程式設計方法，為儲存邏輯。
二、指令週期
1.指令週期的基本概念
CPU每取出並執行一條指令所需的全部時間稱為指令週期，也即CPU完成一條指令的時間。取指階段完成取指令和分析指令的操作，又稱取指週期；執行階段完成執行指令的操作，又稱執行週期。
由於各種指令操作功能不同，因此各種指令的指令週期是不相同的。
簡介定址的指令週期就包括取指週期、間址週期、**執行週期**3個階段，其中間址週期用於取運算元的有效地址，因此間址週期介於取指週期和執行週期之間。
如果有請求，CPU則要進入中斷響應階段，又稱中斷週期。在此階段，CPU必須將程式斷點儲存到儲存器中。一個完整的指令週期應包括**取值、間址、執行、中斷**4個子週期。
取指週期是為了取指令，間址週期是為了取有效地址，執行週期是為了取運算元，中斷週期是為了儲存程式斷點。這4個週期又可稱為CPU的工作週期，為了區別它們在CPU內可設定4個標誌觸發器。
FE、IND、EX、INT分別對應取值、間址、執行、中斷4個週期，並以“1”狀態表示有效，它們分別由這4個訊號控制。
2.指令週期的資料流
取指週期數據流
PC中存放現行指令的地址，該地址送到MAR並送至地址匯流排，然後由控制部件CU想儲存器發讀命令，使對應MAR所指單元的內容經資料匯流排送至MDR，再送至IR，並且CU控制PC內容加1，形成下一條指令的地址。
間址週期的資料流
一旦取指週期結束，CU便檢查IR中的內容，以確定其是否由間址操作，如果需要間址操作，則MDR中指示形式地址的右N位（記作Ad(MDR)）將被送到MAR，又送至地址匯流排， 此後CU向儲存器發讀命令，以獲取有效地址並存至MDR。
執行週期的資料流
由於不同的指令在執行週期的操作不同，因此無法用統一資料流圖表示。
中斷週期的資料流
由CU把用於儲存程式斷點的儲存器特殊地址（如棧指標的內容）送往MAR，並送到地址總線上，然後由CU向儲存器發寫命令，並將PC的內容送到MDR，最終使程式斷點經資料匯流排存入儲存器。CU還需將中斷服務程式的入口地址送至PC，為下一個指令週期的取指週期做好準備。