计算机原理介绍：微处理器与总线部分

微处理器（CPU）是计算机系统的核心部件，控制和协调着整个计算机系统的工作。

微处理器主要具有以下功能：能够进行运算，主要是算术运算和逻辑运算；能对指令进行译码，寄存并执行指令所规定的操作；具有与寄存器和 I/O 接口进行数据通信能力；少量数据的暂时储存；能都提供这个系统的所需要的控制信号以及定时；能够响应输入或者输出设备发出的中断请求。

这些对 CPU 进行了大致概括，我们会在接下来的几章中，着重对 CPU 的一些功能进行详细介绍。本文首先说下字长，字长是 CPU 在同一时间内能够一次处理的二进制位数，通常是指 CPU 内部寄存器的位数以及数据总线的位数，比如开发人员经常听到的 32 位、64 位就是指字长。

CPU 主要是由运算器和控制器两大部分组成，上一篇文章详细分析了逻辑电路的构成，今天分析一下他们的作用。

运算器是由算数逻辑单元（ALU），通用寄存器和专用寄存器以及内部总线构成，其主要功能是实现算数运算以及逻辑运算。控制器的作用是控制程序执行，是整个系统的的指挥中心，具备如下基本功能：

指令控制

计算机的工作过程就是连续执行指令的过程，指令在存储器中是连续存放的。普通情况下，指令是按照顺序一条一条的的取出并执行，只有在特殊情况下，碰到转移类指令才会打断或者改变顺序。控制器要根据指令所在的地址按顺序取出指令并分析，传送必要的条件，并在结束指令后存放运算结果。总之，要保证计算机指令的顺利执行。

时序控制

指令是在时钟信号的严格控制下运行的，一条指令的执行时间称为指令周期，不同指令的指令周期中所包含的机器周期数也是不一样的，一个机器周期中包含多少时钟周期也不相同，这些周期信号用于计算机平常的工作，在控制器的控制下，按一定的关系进行工作。

操作控制

操作控制是根据指定流程，确定在指令周期的各个节拍中要产生的微操作控制信号，以有效完成各条指令的操作，除此之外还对异常情况进行处理。

控制器主要由如下几方面构成：

• 程序计数器（PC），主要用来存放下一条要执行的指令在存储器中的地址。

• 指令寄存器（IR），指令寄存器用于存放从存储器中取出的待执行指令。

• 指令译码器（ID）,主要是指令译码。

• 时序控制部件，产生计算机运行时所需的时序信号。

• 微操作控制部件，这部分是控制器的主体。

CPU 想要对数据进行读写，必须和外部器件（严格来说应该是芯片）进行三类信息交互，分别储存单元的地址（地址信息），器件选择，读写命令（控制信息），读或写的数据 （数据信息），那么 CPU 是通过什么将地址，控制信息和数据传输进芯片的呢？

计算机传输处理的信息都是电信号，电信号要用导线传送，当然计算机不叫导线，叫总线，物理上的解释为一根根导线的集合。逻辑上划分为地址总线，数据总线和控制总线。数据总线的宽度决定了 CPU 与外界的数据传送速度，这些信息全部从内存中读取。

地址总线

CPU 通过地址总线指定存贮单元，地址总线上能传多少个信息，CPU 就能对多少个存储单元寻址。一个 CPU 有 N 根地址总线 ，则可以说这个 CPU 的地址总线宽度为 N，这样的 CPU 最多可以寻找到 2 的 N 次方个内存单元。

数据总线

CPU 内存或者其他器件之间的数据传送是通过数据总线来进行的，上面也提到了数据总线越大，传播速度越快。

控制总线

CPU 对外部器件的控制是通过控制总线来进行的，有多少控制总线，就意味着 CPU 对外部器件有多少种控制。所以，控制总线的宽度决定了 CPU 对外部器件上的控制能力。

本文主要涉及 8086/8088 CPU 的主要功能，8086/8088 CPU 有一个很大的改进，就是采用全新的结构完成上述几个内容，并将它分配给两个部件：执行单元（EU）和总线接口单元（BIU），EU 负责分析指令和执行指令，BIU 负责取指令，取操作数和写结果，这两个单元都能独立完成相应的工作。

行执行单元 EU 的主要功能是执行指令，分析指令，暂存中间运算结果，并且保留运算特征，由算数逻辑单元（运算器）ALU，通用寄存器，标志寄存器和 EU 控制电路组成。

EU 工作时不断从指令队列中取出指令代码，对其译码后产生完成指令所需要的控制信息。数据在 ALU 中进行运算，运算结果的特征保留在标志寄存器 FLAGS 中。

8086CPU 有 14 个寄存器，分别为 AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP、IP、CS、SS、DS、ES、PSW，每个寄存器的低 16 位可以单独使用。同时，AX、BX、CX、DX 寄存器的高八位和低八位也可分别当作八位寄存器使用。

8086 CPU 所有寄存器都是 16 位，可以存放两个字节，AX、BX、CX、DX 通常用来存放一般性数据，被称为通用寄存器。

接下来看几条简单的汇编指令

• Mov ax,18 将 18 送入 AX

• Mov ah,78 将 78 送入 AH

• Add ax,8 将寄存器 AX 的数值加上 8

• Mov ax,bx 将寄存器 BX 的数据送入寄存器 AX 里面

• Add ax,bx 将寄存器 BX 中的数值和寄存器 AX 中的数值相加，结果存进寄存器 AX 中。

内存分段管理技术

8088/8086 CPU 的内部结构都是 16 位，即内部寄存器只能存放 16 位二进制码，内部总线最多也只能传送 16 位二进制码，16 位二进制码最多只具有 2^16=64K 种组合，如果用二进制码表示地址，则 8086/8088 CPU 只能产生 64K 个地址，也就是最多能够管理 64 个内存单元。

由于内存容量的大小对计算机的性能有着密切影响，为了提高计算机系统的执行速度，极大提高寻址能力，为此采用了分段管理的方法，将内存空间分为多个逻辑段，每个逻辑段最大为 64K 个单元，段内每个单元的地址长度为 16 位，满足其 16 位内部结构的要求，这些将在后续章节中介绍。

相关文章：

《逻辑运算系列（一）：入门篇》

《逻辑运算系列（二）： 组合逻辑电路》