5. 中央处理器（CPU）

5.1 CPU的组成及作用

5.1.2 CPU

CPU(Central Processing Unit，中央处理器)=运算器+控制器
也就是说，CPU是由运算器和控制器组成。

CPU中的主要寄存器

5.1.2 CPU的功能

在程序运行过程中，在计算机的各部件之间流动的指令和数据形成了指令流和数据流。
指令流就是CPU执行的指令序列；数据流是根据指令操作要求依次存取数据的序列。

从程序运行的角度而言，CPU的功能就是对指令流和数据流在时间上和空间上实施正确的控制。总体功能是取指令并执行指令

指令控制：程序中指令的执行顺序控制
处理指令是指控制程序中指令的执行顺序，程序中的各指令之间是有严格顺序的，必须严格按程序规定的顺序执行，才能保证计算机系统工作的正确性。
操作控制：产生各种操作信号
执行操作是一条指令的功能往往是由计算机中的部件执行一系列的操作来实现的，CPU要根据指令的功能，产生相应的操作控制信号，发给相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
时间控制：控制操作信号的发生时间、定时时间
时间控制就是对各种操作实施时间上的定时，在一条指令的执行过程中，在什么时间做什么操作均应受到严格的控制，只有这样，计算机才能有条不紊地工作。
数据加工：算术/逻辑运算
即对数据进行算术运算和逻辑运算，或进行其他的信息处理，其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据，并执行指令，在微型计算机中又称微处理器，计算机的所有操作都受CPU控制，CPU的性能指标直接决定了微机系统的性能指标，CPU具有以下4个方面的基本功能，一是数据通信，二是资源共享，三是分布式处理，四是提供系统可靠性。

5.1.3 CPU的组成

CPU由运算器和控制器组成。

5.1.3.1 运算器

运算器的功能是执行所有的算术和逻辑运算。
由图可知，
运算器由算术逻辑单元ALU、通用寄存器组、数据寄存器DR和程序状态字寄存器PSW组成。
通用寄存器R0~R3：用来暂时存放ALU 运算所需要的数据和ALU运算后的结果。
状态字寄存器PSR：用来存放运算器的运算状态字(PSW)的寄存器，包括进位位C、溢出标志位V、运算结果为零标志Z、运算结果为负标志N等。
对于进位位，有进位则C=1，无进位为0；对于溢出标准位，有溢出则V=1；对于零标志，运算结果为零则Z=1；对于负标志，运算结果为负数，也就是最高位为1的话则N=1；
例题：

5.1.3.2 控制器

控制器的功能：
程序预先存放在存储器中，而控制器的作用是控制程序的执行。它有以下功能：

1.取指令： 从存储器中取出将要执行的指令。
2.分析指令：亦称为解释指令或指令译码等。是对当前取出的指令进行分析，指出它要求做什么操作，并产生相应的操作控制命令。如果参与操作的数据在存储器中，还需要形成操作数地址。
3.执行指令： 根据分析指令产生的“操作命令”与“操作数地址”形成相应的操作控制信号序列，通过CPU、存储器和I/O的联合动作，完成数据运算，实现指令的功能。
计算机不断地重复以上三个操作，直到遇到停机指令或外来干预停止。
4.控制程序和数据的输入与结果输出：根据程序安排或人的干预，在适当时候向I/O设备发出相应的命令完成I/O功能。
5.对异常情况和某些请求的处理：当机器出现异常情况，或者外设有请求时，均需要CPU来进行处理。
异常情况：运算错误或奇偶校验错等。
中断请求：如磁盘成批数据传送，键盘送入命令等。
DMA请求：当DMA请求信号到来时，CPU完成当前机器周期工作，暂停工作后让出总线给I/O设备。

控制器的组成：

1.数据缓冲器（DR）
用来暂时存放ALU的运算结果，也可以是由数据存储器或外部读出的一个数据字。也称为MDR（存储器数据寄存器）
作用：
①作为ALU运算结果和通用寄存间的缓冲。
②补偿CPU和内存、外设之间在速度上的差别。

2.指令寄存器（IR）
用来存放当前正在执行的一条指令。
过程：
①从主存中读取指令，放入指令寄存器IR。
②由指令译码器负责翻译，识别指令功能，由操作控制器OC发出控制信号。
3.程序计数器（PC）
即指令地址寄存器。PC中存放下一条要执行指令的地址。一般情况下，CPU自动修改PC的内容，即PC=PC+1。遇到跳跃寻址时，下条指令的地址需要ALU运算出来后送PC。
4.地址寄存器（AR）
用来存放CPU当前所访问的主存中数据单元的地址，也称为MAR（存储器地址寄存器）。其数据来源可以是指令的地址码或通过ALU计算的地址。