CPU的功能与基本结构

考情分析

CPU结构是第五章的基础，选择题常考各寄存器的功能、数据通路的连接关系。408真题中曾多次直接考"某操作将数据写入哪个寄存器"，属于必掌握内容。

CPU的功能

CPU负责控制程序执行，具体包括：

指令控制：按顺序取指、译码、执行
操作控制：向各功能部件发送控制信号
时间控制：控制各操作的时序关系
数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算
中断处理：响应并处理异常与外部中断

CPU的基本组成

CPU = 运算器（ALU） + 控制器（CU）

运算器

执行算术运算和逻辑运算，主要部件：

部件	名称	功能
ALU	算术逻辑单元	执行加减法、与或非等操作
ACC	累加器	存放操作数和运算结果
MQ	乘商寄存器	乘除法时存放操作数/商
X	通用操作数寄存器	暂存参与运算的操作数
PSW	程序状态字寄存器	存放运算结果的标志位（CF、ZF、SF、OF）

控制器

解释指令、产生控制信号，主要部件：

部件	名称	功能
PC	程序计数器	存放下一条指令的地址，自动 +1（或 +指令字节数）
IR	指令寄存器	存放当前正在执行的指令
MAR	存储器地址寄存器	存放要访问的存储器地址
MDR	存储器数据寄存器	存放从存储器读出或要写入存储器的数据
CU	控制单元	对 IR 中的操作码进行译码，产生各种控制信号

内部寄存器详解

PC — 程序计数器

宽度 = 存储器地址位数
顺序执行时，每取一条指令后自动递增
转移指令执行时，由指令给出新地址写入 PC
408 中通常认为对用户程序不可见（不能直接通过普通指令读写 PC 的值），但可以通过转移指令间接修改。部分架构（如 ARM 中 PC 为 R15）允许直接访问，具体需看题目约定

IR — 指令寄存器

宽度 = 指令字长
存放当前指令，供 CU 译码
程序员不可见

MAR — 存储器地址寄存器

宽度 = 存储器地址位数，决定最大寻址空间
每次访问内存前，先将地址送入 MAR
CPU 内部的寄存器，不是主存的一部分

MDR — 存储器数据寄存器

宽度 = 存储器数据位数（通常等于机器字长）
读内存：数据先送到 MDR，再传给 CPU 内部其他寄存器
写内存：CPU 先将数据写入 MDR，再由 MDR 写入内存

PSW — 程序状态字寄存器

常见标志位：

标志	含义
CF（进位标志）	无符号运算产生进/借位
ZF（零标志）	运算结果为 0
SF（符号标志）	运算结果为负
OF（溢出标志）	有符号运算溢出

数据通路

CPU 内部数据通路是寄存器与运算部件之间传送数据的路径。

  PC ──→ MAR ──→ 地址总线 ──→ 主存
                              │
  IR ←── MDR ←── 数据总线 ←──┘
  │
  CU ──→ 控制信号 ──→ ALU、各寄存器
                      │
  ACC ←─────────────── ALU 运算结果

数据通路的实现方式：