微处理器的工作原理[2]

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微处理器（中央处理器，CPU）

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什么是微处理器

微处理器，即CPU（Central Processing Unit，也称为微处理器），是指具有算术单元和控制器功能的中央处理单元，其由一个或几个集成电路组成. 它是计算机系统的核心或“大脑”，它控制着整个计算机系统的工作.

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微处理器的内部结构

微处理器的最基本功能结构包括: 算术单元，控制器，寄存器组和内部总线. 该图显示了一个8位微处理器的内部结构，其中包括: 算术单元，寄存器组（包括: 累加器，状态寄存器，程序计数器和其他功能寄存器组），指令寄存器，地址寄存器，数据缓冲区，内部数据总线，外部引线（包括: 地址信号线，数据信号线，控制/状态信号线）等. 微处理器中的每个部分都扮演着不同的角色:

（1）算术单元: 它是执行计算的组件. 它可以在控制信号的作用下完成加，减，乘，除，与，或，非，异或运算，因此也称为算术逻辑单元.

（2）寄存器组: 用于加快计算和处理速度，临时存储参与计算的数据或计算的中间结果，这是微处理器的重要组成部分. 寄存器组包括:

1）累加器: 它是通用寄存器之一. 通常，微处理器至少包含一个累加器，其功能比其他寄存器更多.

2）状态寄存器: 它是寄存器组之一. 它专用于记录微处理器操作的某些重要状态. 该程序可以根据提供的状态控制CPU的运行.

3）程序计数器: 它是一个递增计数器，在提供每个地址后，它将自动递增1，并指向下一条要执行的指令的存储单元的地址. 8位计算机是一个16位加一个计数器，可以提供65536（= 0〜FFFFH）地址，并且硬件在上电或复位时确定初始值状态. 程序计数器是专门为处理器提供的，用户无法通过指令访问它. 可以通过内部数据总线修改其内容.

4）注册银行以使用其他功能

（3）内部数据总线: 它是微处理器各个部分之间的数据传输通道，并且是双向的. 总线的宽度决定了微处理器内传输的数据位数.

（4）指令寄存器: 它由指令寄存器（IR），指令（ID）和控制逻辑（PLA）组成，并且是整个微处理器的控制命令中心. CPU通过总线在外部存储器中提取指令，并将其临时存储在IR中. 分析并解释IR中的指令，并通过控制逻辑（PLA）生成相应的控制信号，以协调整个计算机的有序工作.

（5）地址寄存器: 用于注册CPU要发送到外部的地址，其内容源可以是程序计数器或内部总线. 它将地址输出到CPU以外的存储器或I / O接口.

（6）数据缓冲区: 它用作CPU内部和外部数据传输的缓冲区. 仅当CPU允许数据传输时，才打开缓冲器的门. 对于8位计算机，它是8位，对于16位计算机，它是16位.

（7）数据信号线（DB）: 用于在CPU与存储器或I / O接口之间传输数据的通道，其宽度决定了在CPU与外部存储器或I之间传输的数据位数. / O接口.

（8）地址信号线（AB）: CPU通过其提供地址信息的通道，其宽度决定了CPU的.

（9）控制N /状态信号线: 用于传输控制或状态信号的通道，例如提供读取信号，写入信号，存储器选通信号，I / O接口选通信号等，并且还可以接收时钟表示等待.

随着技术的发展和微处理器功能的增强，除上述基本部分外，还将在微处理器内部添加内存管理组件和缓存组件.

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微处理器的工作原理

微处理器的工作过程是执行程序的过程，程序的执行是每条指令的逐步执行. 微处理器只能识别机器指令，并且需要使用各种编译器来转换由高级编程语言编译的程序. 由机器指令组成的程序. 微处理器执行指令时，主要完成以下步骤:

微处理器的操作是周期性的，即获取指令，解码指令，获取操作数，然后获取指令...这一系列操作步骤是按时间顺序精确执行的，因此微处理器需要一个时序电路. 时序电路由晶体振荡器电路产生的标准振荡脉冲信号控制. 机器开机后，时序电路将连续发出时钟信号.

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微处理器的时钟

在微计算机系统中，CPU在时钟信号的控制下并以有序的节奏执行一系列指令. 总线周期是机器周期，它是指处理器一次通过总线完成一个字节或几个字节的传输所需的时间. 将一个字节或几个字节写入存储器或I / O端口所需的时间称为存储器写入或I / O写入总线周期. 从内存或I / O端口读取一个字节或几个字节. 所需的时间称为内存读取或I / O读取总线周期.

一条指令从取指开始到执行完成所需的时间称为指令周期. 通常，一个指令周期由一个到几个总线周期组成: 一个基本总线周期包括4个时钟周期，即4个时钟状态T1，T2，T3和T4，以及不确定数量的等待周期（Tw）. 如果在完成总线周期后没有总线操作发生，请填写空闲状态时钟周期（Ti）；如果内存或I / O端口在数据传输过程中不能足够迅速地响应，则位于T3和T4之间. 在它们之间插入一个或几个Tw.

（1）T1状态: 微处理器将地址信息输出到数据/地址多路复用总线，指示所寻址的存储单元或I / O设备端口地址的地址: 该地址此时已被锁存.

（2）T2状态: 地址信息消失，AD15〜ADO进入高阻态，准备进行数据传输.

（3）T3状态: CPU通过AD15〜ADO传输数据. 这些数据可能由微处理器发送，也可能来自内存或I / O端口.

（4）T4状态: 微处理器从总线读取数据到内部寄存器，或将总线上的数据写入内存或I / 0端口，总线周期结束.

在8088和80286的早期，执行一条指令需要一个到几个总线周期. 80486采用指令流水线设计，仅需一个时钟周期（微处理器时钟周期）即可执行一条指令；奔腾处理器采用超标量设计，可以在一个时钟周期（微处理器时钟周期）内执行两条指令.

产生微处理器工作时钟的方法: 1.它由专用时钟电路和晶体振荡器产生； 2.晶体振荡器直接连接到微处理器的时钟引脚，并由微处理器的内部时钟电路处理和产生.

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微处理器的特征和分类

1. 微处理器的功能

（1）体积小，功耗低

（2）高可靠性和低使用环境要求

由于使用集成电路和超集成电路，简化了外部布线和附加逻辑，易于安装，并大大提高了可靠性.

（3）系统设计灵活且易于使用

目前，微处理器芯片及其相应的支持逻辑已经标准化并序列化了产品，用户可以根据不同的需求构建不同规模的系统.

2. 微处理器的分类

（1）根据微处理器的数量，有: 位片，4位，8位，12位，16位，32位，64位和其他微处理器.

（2）根据微处理器的应用领域，通常有高性能的微处理器，嵌入式微处理器，数字信号处理器和微控制器.

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参考

↑于春轩. 80X86 / PENTIUM微机原理与接口技术. 机械工业出版社，2007.2李兰友，丁刚，沉振干. 微机原理与接口技术. 清华大学出版社，2009.06↑李自力. PC技术测试点问题解决方案和模拟测试纸. 电子科技大学出版社，2003.05

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