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      计算机组成

      中央处理器是计算机的控制、运算中心，它主要通过总线和其他设备进行联系。另外，在嵌入式系统设计中，外部设备也常常直接连接到中央处理器的外部I/O（Input/Output,输入/输出）脚的相关引脚上。

      中央处理器的类型和品种异常丰富，各种中央处理器的性能也差别很大，有不同的内部结构及不同的指令系统。但都是基于冯·诺依曼结构，因而其基本组成部分相似。

      1、运算器

      运算器的主要功能是在控制器的控制下完成各种算术运算、逻辑运算和其他操作。一个计算过程需要用到加法器/累加器、数据寄存器、状态寄存器等。

      加法是运算器的基本功能，在大多数中央处理器中，其他计算也是经过变换后使用加法进行的，一个位加法的逻辑图如图1-1所示。

      其中Xi、Yi是加数和被加数，Ci+1是低位进位，Ci是进位，Zi是和。

      为完成多位数据加法，可以通过增加电路和部件，使简单的加法器能够变为串行、并行加法器，超前进位加法器等。

      运算器的位数，即运算器一次能对多少位的数据做加法。这是衡量中央处理器的一个重要指标。

      2、控制器

      控制器是中央处理器的核心，它控制和协调整个计算机的动作，其组成如图1-2所示。控制通常需要程序计数器（ProgramCounter,PC）、指令寄存器（InstructionRegister,IR）、指令译码器（InstructionDecoder,ID）、定时和控制电路，以及脉冲源、中断（在图1-2中未表示）等共同组成。

      控制器各组件的说明如下。

      指令寄存器（IR）：中央处理器，执行的操作码存放在这里。

      指令译码器（ID）：将操作码解码，告诉中央处理器该做什么。

      定时和控制电路（Timing/ControlCircuit）：用来产生各种微操作控制信号。

      程序计数器（PC）：程序计数器中存放的是下一条指令的地址。由于多数情况下程序是顺序执行，所以程序计算数器设计成能自动加1.当出现转移指令、中断等情况时，就需要重填程序计数器。程序计数器可能是下一条指令的绝对地址，也可能是相对地址，即地址偏移量。

      标志寄存器（FlagsRegister,FR）：这个寄存器通常记录运算器的重要状态或特征，包括是否溢出、结果为0、被0除等。这个寄存器的每一位表示一个特征。标志寄存器的典型应用是作为跳转指令的判断条件。

      堆栈和堆栈指针（StackPointer,SP）：堆栈可以由一组寄存器或在存储器内的特定区域组成。由于寄存器数量总是有限的，所以大多数系统采用了使用存储器的软件堆栈。指向堆栈顶部的指针称为堆栈指针。

      寄存器组：上面提及的程序计数器、标志寄存器等为专用寄存器，都有特定的功能和用途。

      通用寄存器的功能由程序指令决定，最常见的应用是放置计算的中间结果，减少对存储器的访问次数。通常寄存器的宽度和运算器的位数是一致的。

      3、存储器系统

      这里的存储器是指中央处理器通过总线直接能访问的存储器，通常称为内存。硬盘等需通过I/O接口访问的存储器常称为外存或者辅存。

      存储器的作用显然是存储数据，包括指令、指令带的数据（这正是冯·诺依曼结构的特点之一）和中央处理器处理后的结果（包括中间结果）。

      中央处理器对存储器的访问需通过控制地址、数据总线进行。存储器的数据组织是线性的，所存储的数据都有整齐的"编号",即访问地址。存储器一般每个存储单元中有8位数据，其容量是其存储单元的总和。

      存储器的性能指标如下。

      存取时间：指的是从中央处理器发出指令到操作完成的时间。

      传输率：或称为数据传输带宽，指单位时间内写入或读取的数据的多少，显然，存取时间越少，则传输率越高。

      存储密度：在单位面积中的存储容量，人们在不断增加这个值。

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