【计算机组成原理】CPU的工作原理

news2024/11/24 1:38:19

一.CPU的组成结构

CPU主要有运算器、控制器、寄存器和内部总线等组成，其大概的样子长这样：

看不懂没关系，我们将采用自顶而下的方法来讲解CPU的具体工作原理，我们首先来说一下什么叫寄存器，顾名思义，寄存器就是用于暂存东西的，类似去超市的时候门口放着的那些暂存箱，你把东西临时放进去，等逛完超市之后就把它拿回来，就这么个作用，如果有兴趣想要了解一下寄存器为什么可以暂存东西，可以参考以前写过的文章：【计算机组成原理】寄存器的本质——锁存器

二.CPU的思考过程

首先，CPU摸鱼了很久，终于想起来要干点活了，不然该被优化了，那么它第一件事情就是去领取一下任务，但是任务在哪里找呢？这时候，它就打开了程序计数器PC（作用请看第三节3.1.程序计数器PC）。

程序计数器PC里面保存了下一条待运行指令（也可以称为任务，但是一般都叫指令）的地址，这个程序计数器PC就像个悬赏榜一样，告诉CPU任务发起人在哪里，让CPU去指定的地址找任务发起人，执行相应的指令。

当CPU在程序计数器PC找到地址后，会将当前所访问的内存单元的地址保存到地址寄存器AR（作用请看第三节3.2.地址寄存器AR）中去，然后让程序计数器PC指向下一条待运行的指令：

紧接着，CPU就拿着地址顺着地址总线找到了任务发起人，并且拿到了指令，把指令从数据总线里取出来放到了指令寄存器IR（作用请看第三节3.3.指令寄存器IR）中：

指令寄存器IR拿到指令后，指令译码器ID（作用请看第三节3.4.指令译码器ID）找上门来，根据指令格式（作用请看第三节3.5.指令格式）检查指令寄存器中的指令，分析出来操作码是什么，操作数在哪里之类的，如果操作数在内存中，就需要将相应的操作数从内存中取回至存储单元SRAM处，如果在寄存器中就直接就直接取用了。

操作控制器OC拿着清单检查发现操作数准备好了，操作码也有了，然后就给CPU的运算部门下达指令，开始运算，这时真正指令执行的时刻才到来。

运算器开始工作，算数逻辑单元ALU（作用请看第三节3.6.算数逻辑单元ALU）开始进行运算，期间如果数据过多处理不过来，就将数据暂时存放在累加寄存器AC（作用请看第三节3.7.累加寄存器AC）中，如果有操作数在存储单元里即将需要使用了，就把数据暂存在数据缓冲寄存器DR（作用请看第三节3.8.数据缓冲寄存器DR）中，将计算的状态存放在状态寄存器PSW（作用请看第三节3.9.状态寄存器PSW）中。

运算结束后，CPU继续回到程序计数器PC里面去，看看悬赏榜上的其他任务，周而复始，开始循环。

三.各寄存器的功能作用

3.1.程序计数器PC

程序计数器PC：又称为指令计数器，程序在第一次执行之前会将起始地址存入计数器中，往后每执行一条指令，CPU就自动修改PC的内容，以便随时保持着PC里面存放的地址总是下一条将要执行的指令的地址。程序执行分为顺序执行和转移执行两种。顺序执行时，CPU修改PC的过程就是简单地加1，转移执行时，后续指令的地址会根据当前指令的地址加上转移的偏移量得到，或者根据转移指令给出的直接转移地址得出。在8086CPU中，程序计数器PC就是CS:IP寄存器。CS:IP是怎么用地址加法器找到对应地址以及自加1的，可以以前发过的文章：【汇编语言】CS:IP寄存器

3.2.地址寄存器AR

地址寄存器AR：地址寄存器保存当前CPU所访问的内存单元的地址。存在的意义是由于内存和CPU存在着速度上的差异，需要用到地址寄存器充当缓存的作用，知道内存的读/写操作完成为止。

3.3.指令寄存器IR

指令寄存器IR：当CPU执行一条指令时，会将指令从内存中取出来放到缓冲寄存器，然后再送入指令寄存器IR中暂存。指令译码器会根据指令寄存器IR的内容产生各种位操作指令，控制其他的组成部件工作，完成所需的功能。

3.4.指令译码器ID

指令译码器ID：对指令中的操作码字段进行分析解释，识别该指令规定的操作，向操作控制器发出具体的控制信号，控制各部件工作，完成所需的功能。

3.5.指令格式

一般的指令格式如下：

前缀

操作码

寻址方式、操作数类型

立即数

偏移量

前缀用于记录指令的一些辅助信息，例如rep、段超越前缀等等，操作码就是mov、jmp这种操作码，寻址方式是指CPU的寻址方式（后续会编写一篇关于CPU寻址方式的文章，如果有更新会及时在这里添加链接），比如基址寻址、变址寻址等，操作数类型记录使用什么寄存器之类的，如果指令使用了立即数，就会将其记录在立即数这部分，如果寻址方式使用了偏移量，就会在偏移量部分记录指令格式中的偏移量部分。