本文首先讲解微处理器的重要组成部分，之后会穿插数电的知识进行相关功能电路的设计，以达到从理论到实践的效果。

一. 组成原理

1. 运算器 

ALU是微处理器中执行所有算术和逻辑操作的部件。主要的功能是加减乘除，与或非异或比较等。（1）其中SRC1和SRC2是源操作数（source operand），代表ALU在运算时的输入数据，两个数据源均可以来自寄存器或者是立即数。

（2）OPR是选择信号，通过选择器来决定哪个运算器工作并输出最终的计算结果。

（3）DST是目标寄存器（destination register），表示运算结果存储的位置。

2. 寄存器组

如图2-8，二进制电路采用寄存器来保存数据的电平。N位二进制数可以采用N位寄存器进行保存。寄存器包括锁存使能线（LE），N位输入数据线（D）和N位输出数据线（Q）。仅当LE信号有效时，D才被锁存为Q作为输出。 

如图2-9，可以把多个寄存器的D线并接在一起，由外部信号LS指定哪个寄存器进行锁存，之后通过译码器产生相应的寄存器的锁存信号，从而使该寄存器保存输入线D上的数据。外部信号OSB和OSA用于控制两个选择器的输出QA和QB

3. 处理电路

 如图2-13，处理电路主要由ALU和寄存器组，内部控制通道和信号线组成。各个分部分已经在上述介绍，主要的衔接是寄存器组一组输入线连接内部通道控制选择器（由LS信号控制），两组输出线分别连接ALU的源操作数线。

除此之外，由于在运算过程中会产生借位，溢出，正负，零值等信息，设置了状态寄存器（PSR），通过CF,OV,SF,ZF等进行标识和保存。

4. 控制电路

通过改变处理电路中的不同取值来实现不同的功能，这些信号取值按序排列构成的二进制数称为一条操作指令。表示指令的二进制数本身数值是没有意义的，数的不同位代表不同信息。处理电路仅能识别二进制数表示的指令，也称二进制指令为机器指令。

5. 数据存储 

在运算中需要读取或者存储大量的数据，这些数据保存在存储器中。在处理电路中，产生存储单元的地址是通过ALU计算出来的。存储单元地址是由一个寄存器与另一个寄存器或者常数相加得到。

在处理电路中产生读写存储器的信号时序的电路称为总线接口单元。

6. 处理器结构

整个处理器架构分为两个部件：

一个是与处理数据和控制流程相关的中央处理器（CPU），CPU由运算单元，寄存器组，控制单元以及总线接口单元构成。

一个是用于保存指令和数据的存储器，存储器包括指令存储器和数据存储器。

实现一个具体的功能需要多条指令按照一定顺序先后执行。将这些指令按照顺序排列起来构成了程序代码。程序代码需要预先放在指令存储空间中，处理电路按顺序逐条读取并进行执行。每条指令代码由若干字节构成，所以每条指令的首字节所在的存储地址视为该指令的地址。处理电路需要专用部件来执行读取指令的存储器读操作。

寄存器组有一个专用的程序计数器（PC），其值为当前需要读取的指令的地址。正常情况下，每次读取指令结束后，PC自动递增至下一条指令的地址。

将CPU的所有单元集中到一个芯片中就构成了微处理器（MPU）。当然MPU只是一个处理器，需要搭配内存等非常多的其他外设才可以构成一个系统。MCU内部有处理器、内存、Flash及其他模块，仅仅需要搭配少量外设就可以构成一个系统。 

二. 系统结构 

MPU在功能上由两部分组成：面向指令的控制单元和面向处理的数据通路。如下图所示

 控制单元由控制器，程序计数器，指令地址递增器以及辅助电路构成。PC保存当前读取指令的地址。

控制器主要完成以下操作：

设置或者更新后续指令读取地址；

将指令地址锁存在PC中，使能指令存储器输出该地址保存的指令代码；

控制器对指令代码进行译码生成控制信号；

输出数据路径所需的控制信号，寄存器组选择出相应寄存器值；

ALU对这些数据进行运算；

锁存运算结果到寄存器或者读写数据寄存器。。

控制器的运行可以采用如下所示的状态机进行表示：指令读取（取指），指令译码（译指），操作数选取（取数），数据运算（执行），数据保存（回写）。控制器周而复始地按照这个顺序执行。

 为了实现控制器的状态转移，系统采用统一时钟CLK 来驱动整个电路中的时序逻辑部分。