5.1.1 CPU的功能#

CPU的核心功能是执行程序。在程序运行过程中，可能会遇到各类异常或外中断事件，如译码阶段发现非法操作码、外部设备发出中断请求等。因此，CPU不仅需要高效执行指令，还要具备检测并响应各类异常与中断的能力。其基本功能包括：

1. 取指令并译码：从主存中取出指令，解析操作码，并生成相应的控制信号。
2. 更新程序计数器(PC)：确定下一条指令地址，以支持顺序执行或程序转移。
3. 执行算术与逻辑运算：通过ALU对操作数进行算术或逻辑运算。
4. 取操作数或写结果：访问主存或I/O接口，读取操作数或将运算结果写回。
5. 处理异常或中断：检测异常或中断请求，并在必要时转入相应的处理程序。
6. 时序控制：通过时钟信号协调各操作的执行顺序和持续时间，确保指令按序执行。

5.1.2 CPU的基本结构#

上述功能需求决定了CPU的内部结构组成。为实现完整的指令执行流程，CPU必须包含若干关键功能部件：为支持指令控制，需要设置程序计数器(PC)，用于存放即将执行指令的地址；为完成指令译码，需要配备指令寄存器(IR)暂存当前指令，并由指令译码器(ID)解析操作码；控制单元(CU)综合译码结果、时序信号与状态标志，生成微操作控制信号序列，驱动各部件协同工作；算术逻辑单元(ALU)和通用寄存器组(GPRs)共同构成数据通路，负责操作数的暂存与运算；中断机构用于响应异常与外部中断请求；此外，为协调CPU与主存之间的数据交换，还需要设置存储器地址寄存器(MAR)和存储器数据寄存器(MDR)。

CPU中各种寄存器的作用与特点

1. 程序计数器(PC)。存放即将执行的指令地址。顺序执行时自动递增（增量为当前指令所占的字节数)；遇到转移类指令时，更新为目标地址。程序启动前，首条指令地址被装入PC。其位数由地址总线宽度决定，反映了CPU可直接寻址的内存空间大小。
2. 指令寄存器(IR)。暂存当前正在执行的指令。指令从主存取出后首先送入IR，供指令译码器使用。其位数等于指令字长。
3. 通用寄存器组(GPRs)。供用户程序灵活使用，用于暂存操作数、中间结果或地址指针，减少对主存的频繁访问，提升执行效率。
4. 标志寄存器(FR)，也称程序状态字寄存器(PSWR)。保存ALU运算产生的状态信息，用于条件判断与转移控制。这些标志位通常由触发器实现，整体构成程序状态字。
5. 存储器地址寄存器(MAR)。存放当前要访问的主存地址。取指或数据读/写时，地址先送入MAR，再通过地址总线传至存储器。其位数同样由地址总线宽度决定。
6. 存储器数据寄存器(MDR)。暂存从主存读出的数据或将要写入主存的数据，起到缓冲与同步作用，缓解CPU与主存之间的速度差异。
7. 指令译码器(ID)。对IR中的操作码进行分析，识别指令类型，并输出对应的译码信号。
8. 算术逻辑单元(ALU)。执行数据运算的核心部件，完成算术与逻辑运算。运算结果送回寄存器，状态标志则写入标志寄存器，供后续条件转移指令使用。
9. 时序信号产生部件。以系统时钟为基础，生成指令执行所需的周期、节拍和工作脉冲，为整个CPU提供时序基准。
10. 操作控制信号形成部件。综合译码信号、时序信号和状态标志，生成微操作控制信号。
11. 总线控制逻辑。实现对总线传输的控制，包括对数据和地址信息的缓冲与控制。
12. 中断机构。实现对异常情况和外部中断请求的处理。

5.1.3 CPU中的寄存器#

CPU中的寄存器可根据汇编语言（或机器语言）程序是否能够直接访问，分为两类。