微處理器

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微處理器(Central Processing Unit,CPU)

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什麼是微處理器

  微處理器,即CPU(Central Processing Unit中央處理單元,又稱微處理器)是指由一片或幾片大規模集成電路組成的具有運算器和控制器功能的中央處理機部件,它是電腦系統的核心或“大腦”,支配整個電腦系統工作。[1]

微處理器的內部結構[1]

  微處理器最基本的功能結構包括:運算器、控制器、寄存器組及內部匯流排。圖給出的是某8位微處理器的內部結構圖,它包括:運算器、寄存器組(其中包括:累加器、狀態寄存器、程式計數器和其他功能的寄存器組)、指令寄存解碼器、地址寄存器、數據緩衝器、內部數據匯流排、外部引線(包括:地址信號線、數據信號線、控制/狀態信號線)等。各部分在微處理器中起著不同的作用:

Image:8位微处理器内部结构.jpg

  (1)運算器:是執行運算的部件,在控制信號作用下可完成加、減、乘、除、與、或、非、異或以及移位等工作,故又稱為算術邏輯單元。

  (2)寄存器組:用了加快運算和處理速度、暫存參加運算的數據或運算的中間結果,是微處理器中十分重要的部分。寄存器組中包括:

  1)累加器:是通用寄存器中的一個。通常微處理器中至少包含一個累加器,它的功能比其他寄存器多。

  2)狀態寄存器:是寄存器組中的一個。專用於記錄微處理器運行的某種重要狀態,程式可以根據其提供的狀態,來控制CPU的運行。

  3)程式計數器:是加一計數器,每提供一個地址後自動加一,指向下一步要執行指令所在存儲單元的地址。8位機為16位加一計數器,可提供65536(=0~FFFFH)個地址,硬體決定上電或複位時的初值狀態。程式計數器是專為處理器提供的,用戶無法通過指令訪問它。其內容可以通過內部數據匯流排得到修改。

  4)其他功能的寄存器組

  (3)內部數據匯流排:它是微處理器內部各部分之間的數據傳輸通道,且為雙向的。其匯流排的寬度決定微處理器內部數據傳輸的位數。

  (4)指令寄存解碼器:它由指令寄存器(IR)、指令解碼器(ID)和控制邏輯(PLA)組成,是整個微處理器的控制指揮中心。CPU通過匯流排將外部存儲器中的指令取入,並暫存在IR中。對IR中的指令進行分析解釋,通過控制邏輯(PLA)產生相應的控制信號,來協調整個電腦有序地工作。

  • 對CPU內部:控制著各部分的工作。
  • 對CPU外部.摔制CPU對外部讀操作或寫操作.對存儲器操作或對I/O介面操作等。

  (5)地址寄存器:用於寄存CPU要向外部發出的地址,其內容來源可以是程式計數器,也可以是內部匯流排。通過它將地址輸出給CPU以外的存儲器或I/O介面。

  (6)數據緩衝器:起到CPU內、外傳輸數據的緩衝作用,只有CPU允許數據傳輸時,該緩衝器的門才會打開。對於8位機它是8位的,對於16位機為16位。

  (7)數據信號線(DB):CPU與存儲器或I/O介面之間傳輸數據的通道,其寬度決定CPU與外部存儲器或I/O介面傳輸數據的位數。

  (8)地址信號線(AB):是CPU提供地址信息的通道,其寬度決定CPU對外的定址範圍。

  (9)控N/狀態信號線:用於傳輸控制或狀態信號的通道,如提供讀信號、寫信號、存儲器選通信號、I/O介面選通信號等,也可以接收時鐘信號等。

  隨著技術的發展,微處理器功能的增強,微處理器的內部除了上述基本部分,還會增加存儲器管理部件、高速緩存部件等。

微處理器的工作原理[2]

  微處理器的工作過程就是執行程式的過程,而執行程式就是逐步執行一條條指令的過微處理器僅能識別機器指令,需使用各種編譯器將由高級程式設計語言編製的程式轉機器指令構成的程式。微處理器在執行一條指令時,主要按以下幾個步驟去完成:

  • 取指令:控制器發出信息從存儲器取一條指令。
  • 指令解碼:指令解碼器將取得的指令翻譯成起控製作用的微指令。
  • 取操作數:如果需要操作數,則從存儲器取得該指令的操作數。
  • 執行運算:CPU按照指令操作碼的要求,通過執行微指令,對操作數完成規定的運算處理。
  • 回送結果:將指令的執行結果回送到記憶體或某寄存器中。

  微處理器的操作是周期性的,即取指令,指令解碼,取操作數,再取指令……,這一系列操作步驟是精確地按照時序進行的,因此微處理器需要一個時序電路。時序電路受控於晶體振蕩電路所生成的標準振蕩脈衝信號,一旦機器加電,時序電路便連續不斷地發出時鐘信號

微處理器的時鐘[3]

  在微機系統中,CPU是在時鐘信號控制下,按節拍有序地執行指令序列。匯流排周期就是機器周期,它是指處理器通過匯流排一次完成一個位元組或若幹個位元組的傳輸所需要的時間。向存儲器或I/O埠寫入一個位元組或若幹個位元組所需時間,稱為存儲器寫或I/O寫匯流排周期;從存儲器或I/O埠讀出一個位元組或若幹個位元組所需的時間稱為存儲器讀或I/O讀匯流排周期

  一條指令從取指開始至執行完畢所需要的時間稱為指令周期。通常一個指令周期由一個到幾個匯流排周期構成:而一個基本的匯流排周期包括4個時鐘周期,即4個時鐘狀態Tl、T2、T3和T4,需要時還要加入數量不定的等待周期(Tw)。若在完成一個匯流排周期後不發生任何匯流排操作,則填入空閑狀態時鐘周期(Ti);若存儲器或I/O埠在數據傳送中不能以足夠快的速度做出響應,則在T3與T4間插入一個或若幹個Tw。

  (1)T1狀態:微處理器向數據/地址復用的匯流排上輸出地址信息,指示定址的存儲單元或I/O設備的埠地址:此時地址鎖存。

  (2)T2狀態:地址信息消失,ADl5~ADO進入高阻狀態,為傳送數據作好準備。

  (3)T3狀態:CPU通過ADl5~ADO傳送數據,這些數據可能由微處理器發出,也可能來自存儲器或I/O埠。

  (4)T4狀態:微處理器從匯流排上讀入數據到內部寄存器或將匯流排上的數據寫入存儲器或I/0埠,匯流排周期結束。

  早期的8088、80286,執行一條指令的時間需要1個到幾個匯流排周期;80486採用指令流水線設計,執行一條指令實際只需1個時鐘周期(微處理器時鐘周期);Pentium處理器採用超標量設計,在1個時鐘周期(微處理器時鐘周期)內可以執行兩條指令。

  微處理器的工作時鐘產生方法:一、由專用時鐘電路加晶振產生;二、晶振直接接到微處理器時鐘引腳上,由微處理器內部時鐘電路處理生成。

微處理器的特點與分類[3]

  1.微處理器的特點

  (1)體積小,功耗低

  (2)可靠性高,使用環境要求低

  由於使用大規模集成電路和超大規模集成電路,簡化了外接線和外加邏輯,安裝容易,大大提高了可靠性

  (3)系統設計靈活,使用方便

  現在的微處理器晶元及其相應支持邏輯都有標準化系列化產品,用戶可根據不同的要求構成不同規模的系統

  2.微處理器的分類

  (1)按微處理器位數分類有:位片、4位、8位、12位、16位、32位、64位等微處理器。

  (2)按微處理器的應用領域分類有:通用高性能微處理器、嵌入式微處理器、數字信號處理器和微控制器。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 餘春暄.80X86/PENTIUM 微機原理及介面技術.機械工業出版社,2007.2
  2. 李蘭友,丁剛,沈振乾.微機原理與介面技術.清華大學出版社,2009.06
  3. 3.0 3.1 李自力.PC技術考點精要、題解與模擬試卷.電子科技大學出版社,2003.05
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