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      现有的计算机（包括单片机、个人计算机、超级计算机）基本都是冯•诺依曼结构，这种结构将计算机分解成运算器、控制器、存储器、输入/输出设备，不加区别地将指令和数据存储在存储器中，指令、数据、存储地址都以二进制数表示。计算机运行时，执行的是存储器中的指令。由程序计数器来控制指令的执行。

      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，在嵌入系统设计中，外部设备也常常直接接到中央处理器（CPU）的外部输入/输出（I/O）脚的中断脚上。

      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、不同的指令系统。但由于它们都是基于冯•诺依曼结构，基本部分组成相似。

      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、数据寄存器或其他寄存器、状态寄存器等。

      加法是加法运算器的基本功能，在大多数的中央处理器中，其他计算也是经过变换后使用的，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，简单的加法器能够变成串行、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，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。控制通常需要程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路，以及脉冲源、中断等共同完成，如图1-2所示。

      中央处理器中各组件介绍如下。

      （1）指令寄存器（InstructionRegister，IR）：显然，中央处理器即将执行的操作码表存放在这里。

      （2）指令译码器（InstructionDecoder，ID）：将操作码解码，告诉中央处理器该做什么。

      （3）定时与控制电路（ProgrammableLogicArray，PLA）：用来产生各种微操作控制信号。

      （4）程序计数器（ProgramCounter，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的，所以程序计数器设计成能自动加1的装置。当出现转移指令时，就需重填程序计数器。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。

      （5）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，典型的是是否溢出，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。

      （6）堆栈和堆栈指针：堆栈可以是一组寄存器或在存储器内的特定区域。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。堆栈顶部的指针称为堆栈指针。

      3．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，它们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。通常寄存器的宽度是和运算器的位数相一致的。

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