中央处理器的基本知识——中央处理器的组成：运算单元、控制器和寄存器

1 参考资料

计算机硬件系统——中央处理器(算术单元和控制器)(1)https://www.jianshu.com/p/defc60406dc1

第一章https://www.pianshen.com/article/55491435509/计算机系统介绍

https://wenku.baidu.com/view/410842cd2cc58bd63186bd6f.html

用五分钟了解https://www.cnblogs.com/codevald/p/codevald2.html主存的基本结构。

中央处理器中的主寄存器https://blog.csdn.net/kwame211/article/details/77773621

2 运算器、控制器、寄存器

中央处理器主要由运算单元、控制器和寄存器组成。

运算器负责算术运算(-*/基本运算和附加运算)和逻辑运算(包括移位、逻辑测试或比较两个值等)。).控制器负责处理所有信息，并安排计算器做好计算。寄存器可以用来临时存储指令、数据和地址。需要对接控制器的命令，并将命令传输给运算单元；还有必要帮助操作员记录已经处理或将处理的数据。

2.1 控制器

控制器由程序计数器、指令寄存器、指令解码器、定时发生器和操作控制器组成。指令IR用于存储当前正在执行的指令，存储的内容来自数据寄存器(DR)。当一条指令需要执行时，应该从内存中取出到数据寄存器，然后发送到指令寄存器IR。指令译码器ID，当计算机执行一条指定的指令时，必须先分析这条指令的操作码是什么，以确定操作的性质和方法，然后控制计算机的其他组件协同完成指令表达的功能。中间分析工作由指令解码器ID完成。计数器PC用于存储下一条要执行的指令的地址，它和内存(memory)之间有直接的路径。在执行指令时，首先需要根据存储在程序计数器PC中的指令地址，将指令从存储器取出到指令寄存器IR，从而完成“取出指令”操作。计数器PC本身具有自动加1的功能，可以自动给出下一条指令的地址，并以这种方式执行每一条指令。时序发生器类似于“时间表”，提供计算机各部分所需的时间标记，通常是利用时序脉冲序列和不同的脉冲间隔来实现的。操作控制器根据指令要完成的操作和信号，发出各种微操作命令序列，控制所有被控对象，完成指令的执行。

整个控制器的运行逻辑是根据程序计数器指示的指令地址，从内存中取出一条指令到指令寄存器IR，然后由指令译码器ID对指令进行解析，然后操作控制器根据指令的功能向相关组件发出控制命令，执行控制命令的操作。操作完成后，程序计数器加1，然后重复上述操作。

2.2 运算器

算术单元通常包括至少3个寄存器和1个算术逻辑单元。现代计算机通常配备通用寄存器组。

寄存器是一种存储容量有限的高速存储器组件，可用于临时存储指令、数据和地址。有许多类型的寄存器。一般有三种类型涉及四种运算，即ACC(累加器)是累加器，MQ(乘数-配额寄存器)是乘数寄存器，X是操作数寄存器。当三种类型的寄存器完成不同的操作时，存储的操作数类型也不同。

关于乘积高阶和乘积低阶的概念，以十进制为例。百是10的高位，10是100的低位。当两个16位数相乘时，结果可能是32位数。左半部分的16位数字是产品的高位数字，存储在ACC中，右半部分的16位数字是产品的低位数字，存储在MQ中。

算术逻辑单元是算术运算和逻辑运算的组成部分。算术运算包括加法、减法和乘法的整数运算。逻辑运算是逻辑运算，如与、或、或非

移位操作将字符向左或向右移动或浮动特定的位，包括有符号扩展和无符号扩展，广泛用于程序中。

2.3 寄存器

CPU中至少要有六种类型的寄存器：指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、累加寄存器(AC)和程序状态字寄存器(PSW)。这些寄存器用于临时存储一个计算机字，数量可以根据需要扩展。

1. 数据寄存器

数据寄存器（Data Register，DR）又称数据缓冲寄存器，其主要功能是作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站，用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异。
数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向主存存入一条指令或一个数据字时，也将它们暂时存放在数据寄存器中。
数据寄存器的作用是 ：
（1）作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站；
（2）弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差异；
（3）在单累加器结构的运算器中，数据寄存器还可兼作操作数寄存器。

2. 指令寄存器
   指令寄存器（Instruction Register，IR）用来保存当前正在执行的一条指令。
   当执行一条指令时，首先把该指令从主存读取到数据寄存器中，然后再传送至指令寄存器。
   指令包括操作码和地址码两个字段，为了执行指令，必须对操作码进行测试，识别出所要求的操作，指令译码器（Instruction Decoder，ID）就是完成这项工作的。指令译码器对指令寄存器的操作码部分进行译码，以产生指令所要求操作的控制电位，并将其送到微操作控制线路上，在时序部件定时信号的作用下，产生具体的操作控制信号。
   指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。

3. 程序计数器
   程序计数器（Program Counter，PC）用来指出下一条指令在主存储器中的地址。
   在程序执行之前，首先必须将程序的首地址，即程序第一条指令所在主存单元的地址送入PC，因此PC的内容即是从主存提取的第一条指令的地址。
   当执行指令时，CPU能自动递增PC的内容，使其始终保存将要执行的下一条指令的主存地址，为取下一条指令做好准备。若为单字长指令，则(PC)+1àPC，若为双字长指令，则(PC)+2àPC，以此类推。
   但是，当遇到转移指令时，下一条指令的地址将由转移指令的地址码字段来指定，而不是像通常的那样通过顺序递增PC的内容来取得。
   因此，程序计数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。

4. 地址寄存器
   地址寄存器（Address Register，AR）用来保存CPU当前所访问的主存单元的地址。
   由于在主存和CPU之间存在操作速度上的差异，所以必须使用地址寄存器来暂时保存主存的地址信息，直到主存的存取操作完成为止。
   当CPU和主存进行信息交换，即CPU向主存存入数据/指令或者从主存读出数据/指令时，都要使用地址寄存器和数据寄存器。
   如果我们把外围设备与主存单元进行统一编址，那么，当CPU和外围设备交换信息时，我们同样要使用地址寄存器和数据寄存器。

5. 累加寄存器
   累加寄存器通常简称累加器（Accumulator，AC），是一个通用寄存器。
   累加器的功能是：当运算器的算术逻辑单元ALU执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区，可以为ALU暂时保存一个操作数或运算结果。
   显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。

6. 程序状态字寄存器
   程序状态字（Program Status Word，PSW）用来表征当前运算的状态及程序的工作方式。
   程序状态字寄存器用来保存由算术/逻辑指令运行或测试的结果所建立起来的各种条件码内容，如运算结果进/借位标志（C）、运算结果溢出标志（O）、运算结果为零标志（Z）、运算结果为负标志（N）、运算结果符号标志（S）等，这些标志位通常用1位触发器来保存。
   除此之外，程序状态字寄存器还用来保存中断和系统工作状态等信息，以便CPU和系统及时了解机器运行状态和程序运行状态。
   因此，程序状态字寄存器是一个保存各种状态条件标志的寄存器。

注意：
MAR（地址寄存器）的作用是：用来存放预访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数。
MDR（数据寄存器）的作用是：是存储器数据寄存器，用来存放从存储体某单元取出的代码。