微处理器

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微处理器(Central Processing Unit,CPU)

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什么是微处理器

  微处理器,即CPU(Central Processing Unit中央处理单元,又称微处理器)是指由一片或几片大规模集成电路组成的具有运算器和控制器功能的中央处理机部件,它是计算机系统的核心或“大脑”,支配整个计算机系统工作。[1]

微处理器的内部结构[1]

  微处理器最基本的功能结构包括:运算器、控制器、寄存器组及内部总线。图给出的是某8位微处理器的内部结构图,它包括:运算器、寄存器组(其中包括:累加器、状态寄存器、程序计数器和其他功能的寄存器组)、指令寄存译码器、地址寄存器、数据缓冲器、内部数据总线、外部引线(包括:地址信号线、数据信号线、控制/状态信号线)等。各部分在微处理器中起着不同的作用:

Image:8位微处理器内部结构.jpg

  (1)运算器:是执行运算的部件,在控制信号作用下可完成加、减、乘、除、与、或、非、异或以及移位等工作,故又称为算术逻辑单元。

  (2)寄存器组:用了加快运算和处理速度、暂存参加运算的数据或运算的中间结果,是微处理器中十分重要的部分。寄存器组中包括:

  1)累加器:是通用寄存器中的一个。通常微处理器中至少包含一个累加器,它的功能比其他寄存器多。

  2)状态寄存器:是寄存器组中的一个。专用于记录微处理器运行的某种重要状态,程序可以根据其提供的状态,来控制CPU的运行。

  3)程序计数器:是加一计数器,每提供一个地址后自动加一,指向下一步要执行指令所在存储单元的地址。8位机为16位加一计数器,可提供65536(=0~FFFFH)个地址,硬件决定上电或复位时的初值状态。程序计数器是专为处理器提供的,用户无法通过指令访问它。其内容可以通过内部数据总线得到修改。

  4)其他功能的寄存器组

  (3)内部数据总线:它是微处理器内部各部分之间的数据传输通道,且为双向的。其总线的宽度决定微处理器内部数据传输的位数。

  (4)指令寄存译码器:它由指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)和控制逻辑(PLA)组成,是整个微处理器的控制指挥中心。CPU通过总线将外部存储器中的指令取入,并暂存在IR中。对IR中的指令进行分析解释,通过控制逻辑(PLA)产生相应的控制信号,来协调整个计算机有序地工作。

  • 对CPU内部:控制着各部分的工作。
  • 对CPU外部.摔制CPU对外部读操作或写操作.对存储器操作或对I/O接口操作等。

  (5)地址寄存器:用于寄存CPU要向外部发出的地址,其内容来源可以是程序计数器,也可以是内部总线。通过它将地址输出给CPU以外的存储器或I/O接口。

  (6)数据缓冲器:起到CPU内、外传输数据的缓冲作用,只有CPU允许数据传输时,该缓冲器的门才会打开。对于8位机它是8位的,对于16位机为16位。

  (7)数据信号线(DB):CPU与存储器或I/O接口之间传输数据的通道,其宽度决定CPU与外部存储器或I/O接口传输数据的位数。

  (8)地址信号线(AB):是CPU提供地址信息的通道,其宽度决定CPU对外的寻址范围。

  (9)控N/状态信号线:用于传输控制或状态信号的通道,如提供读信号、写信号、存储器选通信号、I/O接口选通信号等,也可以接收时钟信号等。

  随着技术的发展,微处理器功能的增强,微处理器的内部除了上述基本部分,还会增加存储器管理部件、高速缓存部件等。

微处理器的工作原理[2]

  微处理器的工作过程就是执行程序的过程,而执行程序就是逐步执行一条条指令的过微处理器仅能识别机器指令,需使用各种编译器将由高级程序设计语言编制的程序转机器指令构成的程序。微处理器在执行一条指令时,主要按以下几个步骤去完成:

  • 取指令:控制器发出信息从存储器取一条指令。
  • 指令译码:指令译码器将取得的指令翻译成起控制作用的微指令。
  • 取操作数:如果需要操作数,则从存储器取得该指令的操作数。
  • 执行运算:CPU按照指令操作码的要求,通过执行微指令,对操作数完成规定的运算处理。
  • 回送结果:将指令的执行结果回送到内存或某寄存器中。

  微处理器的操作是周期性的,即取指令,指令译码,取操作数,再取指令……,这一系列操作步骤是精确地按照时序进行的,因此微处理器需要一个时序电路。时序电路受控于晶体振荡电路所生成的标准振荡脉冲信号,一旦机器加电,时序电路便连续不断地发出时钟信号

微处理器的时钟[3]

  在微机系统中,CPU是在时钟信号控制下,按节拍有序地执行指令序列。总线周期就是机器周期,它是指处理器通过总线一次完成一个字节或若干个字节的传输所需要的时间。向存储器或I/O端口写入一个字节或若干个字节所需时间,称为存储器写或I/O写总线周期;从存储器或I/O端口读出一个字节或若干个字节所需的时间称为存储器读或I/O读总线周期

  一条指令从取指开始至执行完毕所需要的时间称为指令周期。通常一个指令周期由一个到几个总线周期构成:而一个基本的总线周期包括4个时钟周期,即4个时钟状态Tl、T2、T3和T4,需要时还要加入数量不定的等待周期(Tw)。若在完成一个总线周期后不发生任何总线操作,则填入空闲状态时钟周期(Ti);若存储器或I/O端口在数据传送中不能以足够快的速度做出响应,则在T3与T4间插入一个或若干个Tw。

  (1)T1状态:微处理器向数据/地址复用的总线上输出地址信息,指示寻址的存储单元或I/O设备的端口地址:此时地址锁存。

  (2)T2状态:地址信息消失,ADl5~ADO进入高阻状态,为传送数据作好准备。

  (3)T3状态:CPU通过ADl5~ADO传送数据,这些数据可能由微处理器发出,也可能来自存储器或I/O端口。

  (4)T4状态:微处理器从总线上读入数据到内部寄存器或将总线上的数据写入存储器或I/0端口,总线周期结束。

  早期的8088、80286,执行一条指令的时间需要1个到几个总线周期;80486采用指令流水线设计,执行一条指令实际只需1个时钟周期(微处理器时钟周期);Pentium处理器采用超标量设计,在1个时钟周期(微处理器时钟周期)内可以执行两条指令。

  微处理器的工作时钟产生方法:一、由专用时钟电路加晶振产生;二、晶振直接接到微处理器时钟引脚上,由微处理器内部时钟电路处理生成。

微处理器的特点与分类[3]

  1.微处理器的特点

  (1)体积小,功耗低

  (2)可靠性高,使用环境要求低

  由于使用大规模集成电路和超大规模集成电路,简化了外接线和外加逻辑,安装容易,大大提高了可靠性

  (3)系统设计灵活,使用方便

  现在的微处理器芯片及其相应支持逻辑都有标准化系列化产品,用户可根据不同的要求构成不同规模的系统

  2.微处理器的分类

  (1)按微处理器位数分类有:位片、4位、8位、12位、16位、32位、64位等微处理器。

  (2)按微处理器的应用领域分类有:通用高性能微处理器、嵌入式微处理器、数字信号处理器和微控制器。

参考文献

  1. 1.0 1.1 余春暄.80X86/PENTIUM 微机原理及接口技术.机械工业出版社,2007.2
  2. 李兰友,丁刚,沈振乾.微机原理与接口技术.清华大学出版社,2009.06
  3. 3.0 3.1 李自力.PC技术考点精要、题解与模拟试卷.电子科技大学出版社,2003.05
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