浅析对CPU的理解

摘要：

本文首先概述了CPU在计算机系统中的重要作用，以及人们对CPU的一般认识，然后从组成原理的角度给出CPU的定义，接着重点从逻辑的角度去描述CPU,并以一个虚拟的示意性的程序CPU_CODE为载体，简述CPU的各种重要机制，目的是寻求一种更简单，更容易接受的方式去深刻的理解CPU,计算机系统，操作系统，软件设计思想等。

关键词：CPU 微程序寄存器 中断 指令系统 CPU_CODE

1.  概述

在PC机如此普及的今天，CPU这个名字对稍微有一点点电脑知识的人来说都不陌生，看得见也摸得着，但是对他的了解有多少呢，理解到什么程度呢，大部分人对CPU地认识基本上都停留在表面，只是知道它是计算机的大脑，控制着计算机的一切行动，不错，了解这些对计算机普通用户已经足够了，但是对于计算机的爱好者或软件开发人员，光了解这些显然是不够用的，因为有些问题没有对CPU内部机理的较深刻的理解，就解释得通，从而使你的知识体系出现断档，不能连贯和系统起来。

目前对CPU的介绍的资料主要都偏重于硬件方面，由于硬件的复杂性，对于软件人员来说经常会出现这样的情况：雄心勃勃的去找了本组成原理的书来研究CPU,结果几个电路图看下来就晕头转向了。

虽然CPU很复杂，但它肯定是可以被认知的，我们可以选取适合自己的角度去认识，理解，分析CPU。

2.  定义

CPU（Center Process Unit）中文名称是中央处理单元，是计算机的核心部件，CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的功能：

1)       指令控制

2)       操作控制

3)       时间控制

4)       数据加工

 

CPU逻辑结构图如下：

算术逻辑单元

状态条件寄存器

程序计数器PC

地址寄存器AR

地址总线ABUS

数据总线DBUS

累加器AC

存储器

      I/O

CPU

 

ALU

指令寄存器IR

指令译码器

操作控制器

时序产生器

时钟

状态反馈

c

c

c

c

c

缓冲寄存器DR

（图1）

 

CPU由两个主要部分-----控制器和运算器组成

控制器：由程序技术器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成。

主要寄存器：

1)       指令寄存器（IR）

2)       程序计数器（PC）

3)       地址寄存器（AR）

4)       缓冲寄存器（DR）

5)       累加寄存器（AC）

6)       状态条件寄存器

3.  逻辑分析

3.1               CPU与操作控制器的逻辑关系

在上面的CPU逻辑图中的操作控制器是核心的核心，它是CPU所有命令的实际发起者。将操作控制器的内部逻辑展开，则CPU的整体逻辑如图2所示。

在图2中的控制存储器中，保存着CPU的指令系统的微代码实现和执行顺序控制的硬件机制。

本文不打算从硬件的角度来谈CPU的组成原理，而是从程序的角度，整体的来分析CPU的运行机理。由于CPU既有硬件实现的复杂的逻辑电路，也有程序存储的逻辑，所以我的描述CPU的运行机理的程序是虚拟的，是把软硬件逻辑高度抽象的一个表现形式，只能起到原理性的说明作用，不能实际执行，但思路与微程序控制框是一致的，是把CPU完全微程序化的结果。

程序计数器PC

地址寄存器AR

缓冲寄存器DR

指令寄存器IR

微地址寄存器μAR

微指令寄存器μIR

主存储器

控制存储器CM

微命令

地址译码器

地址译码

（图2）

3.2               CPU原理示意性程序

注：下文称CPU原理示意性程序为：CPU_CODE

代码及说明如下：

 

//全局变量的定义—对应着CPU固有的各种寄存器

//控制寄存器

int IP;           //程序计数器

int AR;         //地址寄存器

int DR;         //数据缓冲寄存器

int PSW;      //状态字寄存器

//段寄存器

int CS;         //代码

int DS;         //数据段

int ES;         //附加段

int SS;         //堆栈段

//指针及变址寄存器

int SP;

int BP;

int DI;

int SI;

//数据寄存器

int AX;

int BX;

int CX;

int DX;

 

int interrupt;//是否有中断的标志 0-无，1-有虽然CPU没有寄存器与之对应，但是它的功能在CPU中是通过硬件电路来实现的。

//主入口函数:CPU加电时，从这里开始运行

int main()

{

   //全局变量的初始化，对应着硬件完成的关键寄存器的默认值

   //IP=0:CS=FFF0H确定了CPU执行的第一条机器指令的物理地址，

   //您是否记得，这就是BIOS ROM的入口地址，这样就可以解释

   //计算机就开始执行BIOS程序的原因了。

   IP=0;

   CS=FFF0H;

//while循环是CPU运行状态的表现，同时也代表着操作控制器的运行逻辑。

//这个循环也是CPU运行的原动力。

       while(1)

       {

       //取指令

       getCommand();

       //执行指令

       execCommand();

       //中断处理过程

       intProcess();

       }

}

//该函数主要是CPU的取指令操作的代码表示：

//CPU先将IP:CS传给AR,然后IP+1,通过AR获得指令，将指令送至指令寄存器，结束取指令的任务。

void getCommand()

{

       //PC（IP）的值赋给地址寄存器

       AR=IP;

       //PC+1,指向下一条将要执行的指令的偏移地址

       IP=IP+1;

       //地址寄存器+CS段存器-->指令的物理地址

   CS:IP->物理地址;

       //传送指令到指令寄存器

      

}

//在取指令任务结束后，指令寄存器内存放着从内存中取来的等待执行的指令。

//该执行指令函数：首先将按照约定的规则通过之列的某些特殊字段，把指令转化为微程序的入口地址，然后跳转到这个微程序的函数体去执行，具体的微操作。

void execCommand()

{

       //读取指令寄存器的内容，进行指令译码，根据不同的译码执行不同的微操作

      

       switch(ConvertCode(IR))

       {

              case 0:

                     add();

                     break;

              case 1:

                     sub();

                     break;

              case 2:

                     mov();

                     break;

              case 3:

                     in();

                     break;

              case 4:

                     out();

                     break;

              case 5:

                     push();

                     break;

              case 6:

                     pop();

                     break;

        default:

                     break;

       }

}

//中断的处理过程

void intProcess()

{

 

       if(interrupt==1)

       {

              //获得中断向量号

              //保护中断现场，目的是可以从中断处理程序返回后继续执行

              //根据中断向量号，算出中断处理程序的地址，赋值给程序计数器IP

       }

      

}

int ConvertCode()

{

       //根据特定的规则获得相应指令对应的微程序的入口地址

}

void add()

{

       //加法的微程序指令

}

void sub()

{

       //减法的微程序指令

}

void mov()

{

       //mov微程序指令

 

}

void in()

{

       //IN 的微程序指令

}

void out()

{

       //OUT 的微程序指令

}

3.3               CPU_CODE程序代码分析

CPU_CODE逻辑比较简单，但却涉及到了以下几方面的原理：

1．              CPU寄存器的作用：通过全局变量来诠释体现寄存器在CPU运行过程中的作用。

2．              CPU取机器指令的过程：通过getCommand()函数体现。

3．              CPU执行指令的过程:通过execCommand()函数体现。

4．              中断处理的过程：通过intProcess()函数体现。

5．              机器指令的译码：通过ConvertCode()函数来体现。

6．              CPU指令系统：通过add(),mov()等等的函数来体现。

CPU_CODE可以理解为计算系统中任何程序的源头和实际执行者。

这需要从这几方面来说明：

首先，计算机系统中的任何程序（无论是何种语言）想要执行，最终都要被编译成机器指令并且要装入内存中。

接着，CPU_CODE从内存中取出机器指令，分析指令，执行指令，这样才真正完成一条机器指令的执行。

因为我们的程序最终是由一条条的机器指令构成的，而每一条机器指令的实际执行都是由CPU_CODE来实际执行的，进而可以说任何计算系统的程序的源头和实际执行者就是CPU_CODE.

CPU_CODE是计算机系统的动力源泉，我们经常会听说这样的字眼“CPU在不停的转”这个“转”不是就CPU_CODE这个永不推出的程序吗。

其实利用CPU_CODE的思路去理解CPU这个软硬参杂的复杂的东西，可以提炼出逻辑的主线，去除硬件对我们的干扰，加深我们对CPU,计算机系统，机器语言，操作系统等。

 

4.  总结

虽然CPU_CODE目前还是很简陋，但我相信沿着这个思路和框架对CPU_CODE进行不断的充实，我们就可以用这种方法在CPU这个什么的世界中探索到更多的秘密。

5.  参考资料

[1] 白中英，计算机组成原理，科学出版社，1999.

[2]      沈美名 温冬婵 ,IBM-PC汇编语言程序设计, 清华大学出版社,1998.