第6章计算机组成原理

（4）CPU响应中断后如何保护现场； （5）CPU响应中断后，如何停止原程序的 执行而转入中断服务程序的入口地址； （6）中断处理结束后，CPU如何恢复现场， 如何返回到原程序的间断处； （7）若在中断处理过程中又出现了新的中 断请求，CPU该如何处理。
• 对这些问题的解决，只有在中断系统中 配置相应的硬件和软件，才能完成整个 中断处理任务。但在有些计算机中，把 部分相应的功能分散在了各接口电路中 实现。 • 下面以Pentium微处理器的中断处理为例， 来了解中断系统的特点。
• 计算机能自动执行存放在主存中的程序。 程序是指令的有序集合，计算机每执行一 段程序，就可完成一定的功能。具体执行 过程是：计算机从主存中取出一条指令， 按指令操作码及指令中的其他有关信息执 行以实现指令所要求的功能，然后按顺序 递增或转移指令要求的目的地址，从主存 中取出下一条指令……重复上述过程，直 至停机指令为止。
6.2.3 控制单元与中断系统
• 控制单元CU产生CPU所需要的全部微操 作控制信号。所谓微操作，即计算机中最 简单的、不能再分解的操作，如打开某一 个控制门或寄存器的清除脉冲等。复杂操 作是通过执行一系列微操作实现的。
• 控制单元CU根据指令译码器产生的操作 控制信号、时序部件产生的时序信号以 及其他控制条件可以产生整个机器所需 要的全部操作控制信号。这些控制信号 引向计算机各个部件，以控制各部件执 行指令所要求的功能。该控制单元部件 可由硬布线方式或微程序方式实现，这 将在后面章节详细介绍。
（3）地址寄存器
• 地址寄存器用于存放地址，其本身可以 具有通用性，也可用于特殊的寻址方式。 地址寄存器的位数必须足够长，以满足 足够大的寻址范围。
（4）条件代码寄存器
• 这类寄存器中存放条件码，它们对用户 来说是部分透明的。条件码是CPU根据 运算结果由硬件设置的位，常用的有N、 Z、V、C等。条件码可被测试，作为分 支运算的依据。此外，有些条件码可被 直接置位或复位。
3、寄存器结构举例 （1）8086的寄存器组织 • 8086是Intel公司的16位微处理器，它 内部包含有4组16位寄存器，它们是通 用寄存器组、指针和变址寄存器组、段 寄存器组、指令指针及标志位寄存器。 如图6-3所示。
图6-3 8086CPU的寄存器组
• 通用寄存器组是AX，BX，CX和DX，用 以存放16位数据或地址。也可分成8个8 位寄存器来使用，低8位是AL，BL，CL 和DL，高8位是AH，BH，CH和DH， 此时只能存放8位数据，不能存放地址。 为了缩短指令代码的长度，在8086中， 某些通用寄存器用作专门用途。如AX作 累加器，CX在串指令中作计数寄存器等。
• 中央处理器就是专门用于完成上述功能 的计算机部件。CPU在计算机系统的运 行中起着重要的作用，它具有如下四个 方面的基本功能。 （1）指令控制，即控制指令的执行顺序。 CPU必须对指令的执行顺序进行控制， 正确产生下一条指令在内存中的地址， 以保证指令序列正确执行。
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（2）操作控制，即指令内操作信号的控 制。一条指令的功能一般需要若干个操 作信号的组合来实现，因此，CPU必须 管理并产生由内存取出的每条指令所要 求的操作信号，把各种操作信号送往相 应的部件，从而控制这些部件按指令的 要求进行动作。
• 指针和变址寄存器包括基址指针寄存器 BP，堆栈指针寄存器SP，源变址寄存器 SI，目的变址寄存器DI。这组寄存器存 放的内容通常是某一段内地址偏移量， 用来形成操作数地址，主要在堆栈操作 和变址运算中使用。
• 8086CPU可直接寻址1MB的存储器空间， 直接寻址需要20位地址码，而所有内部寄 存器都是16位的，只能直接寻址64KB， 因此对存储器采用分段技术来解决此问题。
图6-5 MC68000的寄存器
• 其中8个数据寄存器主要用于数据存储管 理，在寻址方式中仅用作变址寄存器。 寄存器允许8位、16位和32位的数据格 式运算，这些都可以由操作码确定。
• 在地址寄存器中存放着32位的地址，其 中两个寄存器（A7和A7`）也用作堆栈 指针。但它们一个用于操作系统，一个 用于用户，具体的选择取决于当前的执 行模式。不过在某一时刻这两个寄存器 只能使用一个。 • MC68000还包括一个32位程序计数器PC 和一个16位的状态寄存器。
6.1 CPU的功能
• 中央处理器（CPU）是计算机系统的核 心组成部件，它包括运算器和控制器两 大部分。在早期的计算机中，器件集成 度低，运算器与控制器是两个相对独立 的部分。随着大规模、超大规模集成电 路技术的发展，逐渐趋向于将CPU作为 一个整体。在微型计算机中，已将CPU 集成为一块芯片，称为微处理器。
• 标志寄存器EFLAGS为32位，包含若干 状态标志和控制标志，状态标志由微处 理器执行某种操作后自动设置，其低位 部分与8086兼容。 • 段寄存器除了原有的CS，DS，SS和ES 外，又增加了两个新的段寄存器FS和 GS，它们也是附加数据段寄存器，都仍 为16位寄存器。
（3）MC68000的寄存器组织 • Motorola MC68000的寄存器设计方案 是将它的寄存器分成了8个数据寄存器 （D0~D7）和9个地址寄存器（A0~A7、 A7`），它们都是32位的，如图6-5所 示。
6.2 CPU的基本结构
6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 CPU的结构框图 CPU的寄存器结构 控制单元与中断系统 CPU内部数据通路
6.2.1 CPU的结构框图
• 根据CPU的功能不难设想，要处理指令， CPU内就要有一个寄存器存放指令的地址 以找到指令并实现取指令，还要有控制部 件能分析指令的功能并发出指令需要的操 作控制信号，还要有相应的算术逻辑运算 部件ALU完成具体的运算。要处理异常情 况和特殊请求，就必须有中断系统。可见， CPU可由四大部分组成。
• 中断是现代计算机中非常重要的处理机 制，在本书第10章中会对I/O中断作较 详细的讨论，实际上I/O中断只是CPU 众多中断中的一种。引起中断的因素很 多，为了处理各种中断，CPU内通常设 有处理中断的机构——中断系统，以解 决各种中断的共性问题。
• 对中断系统来说，主要需要解决以下几 个问题： （1）各中断源如何向CPU提出中断请求； （2）当多个中断源同时提出中断请求时， 中断系统如何确定优先响应哪个中断源 的请求； （3）CPU在什么条件、什么时候、以什 么方式来响应中断；
2、控制和状态寄存器 • CPU中还有一类寄存器用于控制CPU的 操作或运算。在一些机器里，大部分这 类寄存器对应用程序员是透明的。如以 下四种寄存器在指令执行过程中起重要 作用。
• MAR：存储器地址寄存器，用于存放将 被访问的存储单元的地址。 • MDR：存储器数据寄存器，用于存放欲 存入存储器中的数据或最近从存储器中 读出的数据。
1、用户可见寄存器 • 通常CPU执行机器语言访问的寄存器为 用户可见寄存器，按其特征又可分为以 下几类： （1）通用寄存器 • 通用寄存器可由程序设计者指定许多功 能，可用于存放操作数，也可作为满足 某种寻址方式所需的寄存器。
（2）数据寄存器
• 数据寄存器用于存放操作数，其位数应 满足多数数据类型的数值范围，有些机 器允许使用两个连续的寄存器存放双倍 字长的值。还有些机器的数据寄存器只 能用于保存数据，不能用于操作数地址 的计算。
（1）中断和异常 • 有两类事件能引起Pentium挂起当前指令流 的执行并响应事件：中断和异常。两种情 况下处理器都要保存当前进程的上下文， 并将转至一个预先定义的子程序来执行特 殊的服务。中断（Interrupt）通常是由硬 件信号产生的，并可出现在程序执行期间 内的任何时刻。异常（Exception）是由软 件产生的，是由执行指令所引发的。
• 系统将1MB的存储空间分成若干逻辑段， 每段最长64KB，然后设置了4个16位的段 寄存器，由它们给出相应逻辑段的首地址 （高16位），称为“段基址”，与段内偏 移地址组合形成20位物理地址。这些段寄 存器是代码段寄存器CS，数据段寄存器 DS，堆栈段寄存器SS和附加段寄存器ES。
• 指令指针寄存器IP用来存放将要执行的下 一条指令在现行代码段中的偏移地址。在 程序运行时，能自动修改，使其始终指向 下一条将要执行的指令的地址。8086程序 不能直接访问IP，但可以通过某些指令修 改IP的内容。如中断或子程序调用指令。 • 标志寄存器PSW用来存放运算结果的特征， 常用作后继条件转移指令的转移控制条件。
第 6章 CPU的功能与结构
本章导读
• 本章对 CPU的情况进行整体说明，首先介 绍 CPU的功能和基本组成结构，其中包括 CPU的内部结构框图，内部寄存器结构， 中断情况和 CPU内的数据通路结构。然后 对 CPU的外部特性进行介绍，并举例说明 CPU的引脚情况与功能定义。
本章要点
• • • • CPU的功能 CPU的基本结构 数据通路的功能 数据通路的基本结构
• PC：程序计数器，存放欲执行的指令的 地址，通常具有计数功能。当遇到转移 类指令时，PC的值可被修改。 • IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指 令。
• 通过这四个寄存器，CPU可以和主存交 换信息。例如，将下一条指令的地址从 PC送至MAR，启动存储器作读操作，存 储器就可将指定地址单元内的指令读至 MDR，再由MDR送至IR。
图6-1 CPU内部结构框图
• 在图6-1中，考虑到CPU内部各部件间 有数据信息的传送，所以也画出了内部 的数据总线。 • 其中ALU部分的内容已在第3章作了详 细说明，在此，我们用图6-2来表示基 本的运算器部件结构。
图6-2 基本的运算部件结构
• 基本运算部件包括ALU、多路选择器和 移位器。沿数据流向，大致分为三级： 第一级为多路选择器，决定哪一种数据 送往ALU；第二级为ALU，由功能选择 命令选择ALU完成的运算功能；第三级 是移位器，由输出选择对输出结果进行 移位控制。
（2）Pentium机的寄存器组织 • Pentium微处理器配备的寄存器种类和 数量非常多，按其类型可分为如下几类。