【计算机组成原理】处理机管理

一、处理机分类

1. MPU

2. MCU

3. DSP

二、CPU的功能

1. 指令控制

2. 操作控制

3. 时间控制

4. 数据加工

三、CPU的组成

（一）控制器

1. 控制器的功能

（1）控制指令执行的顺序

① 程序中规定的转移类型指令

② 中断处理

（2）控制指令的具体执行

① 从存储器取出指令

② 分析和执行指令

2. 控制器的组成

（1）指令部件

① 程序计数器（PC）

② 指令寄存器（IR）

③ 指令译码器（ID）

（2）时序部件

① 脉冲源

② 启 / 停控制电路

③ 时序信号产生及其控制部件

（3）控制信号形成部件

（二）运算器

1. 算术逻辑单元（ALU）

2. 累加寄存器（AC）

3. 数据缓冲寄存器（DR）

4. 状态条件寄存器（PSWR）

四、CPU的内部总线结构

1. 单总线结构

2. 双总线结构

3. 三总线结构

五、指令系统

六、进程

1. 基本概念

2. 进程的状态

（1）就绪状态

（2）运行状态

（3）阻塞状态

3. 状态描述

（1）就绪状态→运行状态

（2）运行状态→就绪状态

（3）运行状态→阻塞状态

（4）阻塞状态→就绪状态

处理机包括 运算器和控制器 两部分。运算器 对数据进行算术运算和逻辑运算，控制器 是计算机的指挥和控制中心。了解了处理机的组成和工作原理，也就了解了计算机的全部工作过程。

一、处理机分类

说到处理机，除了CPU （Central Process-ing Unit，中央处理器），还有MPU （Micro Processor Unit，微处理器单元）、MCU （MicroController Unit，微控制器单元）和 DSP （Digital SignalProcessing/Processor，数字信号处理）。

其中后三种处理器主要用于 嵌入式系统中。这里所说的 CPU 其实是一个狭义的概念，一般是指 通用计算机中的处理器，它采用冯．诺伊曼结构，是复杂指令集。

1. MPU

MPU 的基础是 CPU，主要应用在 嵌入式系统 中。将 MPU 装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母版功能，这样可以大幅度 减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，MPU 虽然在功能上和 CPU 基本是一样的，但在 工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

和工业控制计算机相比，MPU 具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高 的优点，但是在电路板上必须包括 ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了 系统的可靠性，技术保密性 也较差。

嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。

2. MCU

MCU 又称单片机，顾名思义，就是 将整个计算机系统集成到一块芯片中。MCU 一般 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成各种 必要功能和外设。

为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种 衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是 存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。

MCU 和 MPU 相比，最大特点是 单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。MCU 是目前嵌入式系统工业的主流。MCU 的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。

3. DSP

DSP 处理器 对系统结构和指令进行了特殊设计，使其 适合于执行 DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较快。

随着数字滤波、FFT、谱分析等方面的发展，DSP 算法正在大量进入嵌入式领域，DSP 应用正 从在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功能，过渡到采用嵌入式 DSP 处理器。嵌入式 DSP 处理器有 两个发展来源：一是 DSP 处理器经过单片化、EMC 改造、增加片上外设成为嵌入式 DSP 处理器；二是在通用单片机或 SOC 中增加 DSP / 协处理器。

推动嵌入式 DSP 处理器发展的另一个因素是 嵌入式系统的智能化。智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是 DSP 处理器的长处所在。

二、CPU的功能

1. 指令控制

程序是顺序地执行指令，故称为指令控制。由于程序是指令的顺序集合，其指令的先后次序不能任意颠倒，必须严格地按规定的顺序执行，因此，保证计算机按顺序执行程序（指令）是CPU 的首要任务。

2. 操作控制

一条指令的功能通常是由若干个操作信号组合起来实现的。执行指令的微观过程就是完成一个相应的微操作序列。这些微操作的产生、组合、传送和管理，完全由 CPU 指挥和控制，从而 协调各个功能部件按指令的要求完成任务。

3. 时间控制

对各种操作实施时间上的控制，称为时间控制。一方面，各种指令的操作信号均受到时问的严格控制；另一方面，一条指令的执行过程也受到时间的严格控制。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。

4. 数据加工

数据加工是指 计算机对数据进行算术运算和逻辑运算，将原始数据加工处理成最终结果，这是 CPU 的根本任务。

三、CPU的组成

（一）控制器

程序和数据是事先存放在存储器中的，计算机对信息的加工处理是通过执行程序 来实现的。计算机的工作过程就是程序的运行过程，也就是在 控制器的控制下逐条执行程序中指令的过程。在程序运行中，控制器对整个计算机进行控制，使各部件在规定的时刻执行相应的操作。

1. 控制器的功能

控制器最基本的功能有两个：一是控制指令执行的顺序；二是控制每条指令的具体执行。

（1）控制指令执行的顺序

为了控制指令的执行顺序，CPU 中设置了指令地址寄存器 PC（即程序计数器），用它来存放指令的地址。在执行一条指令的同时，必须形成 后续指令的地址，以便程序能继续运行。

在一般情况下，指令是按顺序执行的，由程序计数器 PC 决定后继指令的地址，也就是说，PC 的内容不断地加一个固定步长。但是，当执行的指令是转移类型指令时，就要 改变指令执行的原来顺序。

控制器对指令执行顺序的控制实质上是对 PC 的控制，也就是说，根据转移类型指令的操作码和转移的条件来决定是否改变 PC 的内容。

从程序运行的角度来看，PC内容的改变可以分为以下两大类。

① 程序中规定的转移类型指令

这需要 在程序设计时预先安排好要改变指令执行的顺序。在多数情况下，转移前的 PC 内容不需要保留，在 转子指令或过程调用指令 时需要保留转移前的 PC 内容，作为程序的返回地址。

② 中断处理

即 在程序运行中对于某些突发事件的紧急处理。当出现来自系统外部或计算机内部的任何异常或意外事件（如计算机出现故障、程序出现错误、外设请求、实时请求等）时，CPU 可以暂停执行现行程序，转去处理这些事件，在这里 需要改变 PC 的内容，而且要保留改变前的 PC 的内容，待处理完后再返回继续执行原被中断的程序。

（2）控制指令的具体执行

一条指令的执行主要分为以下两个阶段：

① 从存储器取出指令

根据程序计数器 PC 的内容，向地址寄存器发出地址和读指令操作信号。取出现行指令后，为了正确执行该条指令，将取出的指令存放在控制器中专门设置的指令寄存器 IR 中。

② 分析和执行指令

分析指令就是 把指令寄存器中的现行指令进行译码。首先分析其操作码，为此需要设置操作码译码器，通过对操作码的分析，产生相应的控制电位，提供给控制信号形成部件；其次就是确定参与操作的数据地址，即分析寻址方式和形成操作数的地址，并向存储器发出调用操作数的控制信号，从而取得操作数；然后，根据指令的操作性质和 CPU 的某些状态特征，执行指令所给定的操作。

上述的两个功能都是 由控制器产生的各种微操作（或微命令）来实现的。微操作信号是构成控制信号序列的最小单位，对于不同的指令要求不仅需要确定应该发出哪些微操作信号，而且还必须顾及到这些微操作信号之间的 时间关系。

2. 控制器的组成

（1）指令部件

指令部件的作用是完成取指令并分析指令，它由3个部分构成。

① 程序计数器（PC）

程序计数器又称为 指令计数器或指令地址寄存器，用来 存放当前执行指令的地址。每当执行完一条指令后，通常 由程序计数器提供后继指令地址，送往地址寄存器（MAR）。由于程序流程有可能是顺序执行、跳步、转移等情况，因此程序计数器应该具有 计数功能和接收信息的功能。

计数功能可以由程序计数器自身的逻辑电路实现，也可以使用运算器来完成。

② 指令寄存器（IR）

指令寄存器用来 存放正在执行的指令。

为了保证实现指令的全部功能，该寄存器中的内容 在执行指令的过程中不允许发生变化。

③ 指令译码器（ID）

指令译码器 对指令的操作码部分进行译码或分析解释，并产生相应的控制电位送到控制信号形成部件。此外，它还产生为形成操作数地址所需要的控制信号。

（2）时序部件

时序部件又称为 周期节拍发生部件，它 用来产生一定的时序信号，以便实现机器指令执行过程中的时序控制。

通常把一个指令周期划分为若干个机器周期，进而分为若干个节拍，每个节拍又分为几个工作脉冲。机器周期、节拍、工作脉冲的时间信号 便组成了指令运行的 多级时序信号，它们 保证了计算机各功能部件有节奏地进行信息传送、加工处理和信息存储。

① 脉冲源

脉冲源的功能是 产生一定的脉冲信号，为整个计算机提供时钟，是机器周期、节拍和工作脉冲的基准信号。

② 启 / 停控制电路

启 / 停控制电路的作用是 根据计算机的需要，能可靠地开放或封锁脉冲，控制时序信号的发生或停止，实现对整个计算机的正确启动或停止。即 要求启动时输出的第一个脉冲是完整的脉冲，停止时输出的最后一个脉冲也是完整的脉冲。

③ 时序信号产生及其控制部件

时序信号产生及其控制部件是 以工作脉冲为基准，产生不同的计算机所对应的多级时序信号，用以控制计算机的每一步微操作。

（3）控制信号形成部件

微操作是计算机中不可再分割的操作，它是 计算机中最小的操作信号，包括 时序部件提供的时序信号，以及被控制的功能部件反馈的状态条件信号等。由控制信号形成部件组合成不同的机器指令所需要的不同微操作序列，从而完成取指令和执行指令的控制。这是控制器的核心部分。

（二）运算器

运算器由 算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）、数据缓冲寄存器（DR）和状态条件寄存器（PSW） 组成，它是 数据加工处理部件，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来指挥的，所以它是执行部件。

运算器有两个主要功能：

① 执行所有的算术运算，如加、减、乘、除等基本运算及附加运算。

② 执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如与、或、非、零值测试或两个值的比较等。

1. 算术逻辑单元（ALU）

算术逻辑单元是运算器的重要组成部件，负责处理数据，实现对数据的算术运算和逻辑运算。

2. 累加寄存器（AC）

累加寄存器通常简称为累加器，它是一个通用寄存器。其功能是：当运算器的算术逻辑单元执行算术或逻辑运算时，为 ALU 提供一个工作区。

例如，在执行一个减法运算前，先将被减数取出暂放在 AC 中，再从内存储器中取出减数，然后同 AC 的内容相减，所得的结果送回 AC 中。运算的结果是放在累加器中的，运算器中至少要有一个累加器。

目前 CPU 中的累加器，多达 16个、32个，甚至更多。当使用多个累加器时，就变成通用寄存器堆结构，其中任何一个累加器可存放源操作数，也可存放结果操作数。在这种情况下，需要在指令格式中 对寄存器号加以编址。

3. 数据缓冲寄存器（DR）

在 CPU 中引脚大多是复用的，在不同的时间内，具有不同的功能。在对内存储器进行读 / 写操作时，用数据缓冲寄存器来暂时存放由内存储器读/写的一条指令或一个数据字，将我们在不同的时间段内读/写的数据隔离开。

缓冲寄存器的作用具体有如下几点：作为 CPU 和内存、外部设备之间往返传送的中转站；补偿 CPU 和内存、外围设备之间在操作速度上的差别；在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。

4. 状态条件寄存器（PSWR）

状态条件寄存器 保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容，大体包括两种：一是 状态标志，如运算结果进位标志（C），运算结果溢出标志（V）；二是 控制标志，如中断标志（I），方向标志（D）等。这些标志通常 分别由 1 位触发器保存，保存了当前指令执行完成之后的状态。

通常，一个算术操作产生一个运算结果，而一个逻辑操作则产生一个判决。

四、CPU的内部总线结构

所谓内部总线是指连接 CPU、寄存器和运算器之间的一条公共信息传送线路，它能分时地发送和接收各部件的信息。为此，内部总线有发送端和接收端，各端分别设有若干个 发送接口和接收接口。利用发送接口将信息代码发送到内部总线上；利用接收接口能从总线上接收信息代码。

在 CPU内部和 CPU 与存储器之间均可以设置总线。

1. 单总线结构

这种结构的特点是 算术逻辑单元 ALU 和所有寄存器通过单一的公共总线连接起来，这叫做单总线结构。【 这条总线是 CPU 内部的，不要和外部总线混淆。】

外部总线是 连接 CPU 和存储器、I/O设备的总线。通过地址寄存器 MAR 和数据寄存器MDR 与 CPU 连接。在单总线结构中，CPU 内部的任何两个部件之间的数据传送都必须经过这条总线，因此，控制比较简单，但数据传送速度受到限制，在一些小型计算机或微型计算机中常采用这种结构。

2. 双总线结构

可以将 ALU 与各寄存器直接挂接到两条总线上。在这种结构中所有寄存器的输出端都连接到总线 A，寄存器的输入端都连接到总线 B，这两条总线通过总线连接器 G 相连接。

总线连接器 G 只能 单向传送数据：当 G 被连通时，就把总线 A 的数据传送到总线 B ；当 G 关闭时，两条总线则互相隔离。

注：在这种结构中，不需要暂存器 Z，这是因为可以控制总线连接器 G，使之关闭，ALU 的输出就可以直接送到目的寄存器。

3. 三总线结构

其特点是 ALU 的两个输入端与两条输入总线分别相连，其输出连接到另一条输出总线。每一条总线只有一个输入和多个输出，由于同一条总线只有一个输入，就可以提高总线传送速度，并且简化了控制。

这 3 条总线分别是输入数据总线、寄存器数据总线和 ALU 输出总线。

五、指令系统

计算机的工作过程就是执行程序的过程，而程序是一组机器指令的有序集合。机器指令（以下简称为指令）就是计算机执行某种操作的命令。每一条指令规定计算机完成一定的功能，它是 程序人员和计算机会话的最小单位。通常 机器语言 是由一系列的指令（语句）组成的，其语法就是指令的格式，这是计算机硬件能直接理解并执行的语言。

一台计算机所能执行的全部指令称为 该机器的指令系统，它表明计算机硬件实体的实际功能。指令系统应根据计算机的使用要求来设计，它不仅直接影响到计算机的硬件结构，而且也直接影响到系统软件和应用软件，它是计算机系统的 硬件部分和软件部分 的重要基础之一。可以说指令系统是了解或设计一台计算机的基本出发点。

六、进程

1. 基本概念

操作系统的重要特征是 并发和共享。为了 提高计算机系统的效率和增强计算机系统内各种硬件的并行操作能力。操作系统要求 程序结构适应并发处理的需要，即在计算机系统中能同时存在两个以上正在执行的程序，即两个以上的程序都处于已经开始但未结束的执行状态。

传统的程序设计方法所涉及的程序概念和顺序程序的结构已不适应于操作系统的需要。因为程序的概念不能体现并发这个动态的含义，顺序程序的结构 也不具备并发处理的能力。因此，为了描述操作系统的并发性，人们引入了一个新的概念——进程。进程是设计和分析操作系统的有力工具，只有以进程的观点去分析操作系统，才能理解操作系统是怎样进行管理和控制的。

2. 进程的状态

在进程的运行过程中，由于系统中 多个进程的并发运行及相互制约的结果，使得进程的状态不断发生变化。

（1）就绪状态

进程已获得了除处理机以外的所有资源，一旦获得处理机就可以立即执行，此时进程所处的状态为就绪状态。在系统中处于就绪状态的进程一般有多个，通常把这些进程排成一个队列组织起来，队列的排列次序一般按照进程优先级的大小来排序。

（2）运行状态

当 一个进程获得必要的资源并正在处理机上执行时，该进程所处的状态即为运行状态。在单处理机的系统中，只有一个进程处于运行状态。在多处理机的系统中，则可能有多个进程处于运行状态，但处于 运行状态的进程数一定小于或等于处理机的个数。

（3）阻塞状态

阻塞状态又称 等待状态。正在执行的进程，由于发生某事件而无法往下继续执行（如等待输入 / 输出完成），此时进程所处的状态为阻塞状态。当进程处于阻塞状态时，即使把处理机分配给该进程，它也无法运行。所以阻塞进程不能参加竞争处理机。一般情况下，系统根据进程等待事件的原因不同，将进程排列成多个等待队列。

进程并非固定处于某一个状态，其状态会随着自身的推进和外界条件的变化而发生改变。

3. 状态描述

（1）就绪状态→运行状态

处于就绪状态的进程，它 已具备了运行的条件，但由于未能获得处理机，故仍然不能运行。对于单处理机系统而言，处于就绪状态的进程往往不止一个，同一时刻只能有一个就绪进程获得处理机。

进程调度程序根据 调度算法（如优先级或时间片规定）把处理机分配给某个就绪进程，就建立该进程运行状态标记，并把控制转到该进程，把它由就绪状态变为运行状态，这样进程就 投入运行。

（2）运行状态→就绪状态

这种状态变化通常出现在 分时操作系统 中，正在运行的进程由于规定的运行时间片用完而使系统发出 超时中断请求，超时中断处理程序把该进程的状态修改为就绪状态，根据其自身的特征而 插入到就绪队列的适当位置，保存进程现场信息，收回处理机并转入进程调度程序。于是，正在运行的进程就由运行状态变为就绪状态。

（3）运行状态→阻塞状态

处于运行状态的进程能否继续运行，除了受 时间限制 外，还受其他种种因素的影响。例如运行中的进程需要等待文件的输入（或其他进程同步操作的影响）时，控制便自动转入系统控制程序，通过信息管理程序及设备管理程序进行文件输入。在输入过程中这个进程并不恢复到运行状态，而是由运行状态变成阻塞状态（同时标记阻塞原因，并保留当前进程现场信息），然后 控制转入进程调度程序。进程调度程序根据调度算法把处理机分配给其他已处于就绪状态的进程。