微处理器组成

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《工程师手册》第739页（1970字）

微处理器由算术逻辑部件(ALU)、控制部件(CU)、寄存器和堆栈组成。

1．算术逻辑部件

算术逻辑部件(ALU)的结构框图如图1．2．1－1所示。

图1．2．1－1 ALU的结构框图

ALU有两个输入端，其一与累加器A相连，另一与暂时寄存器相连。ALU有两个输出端，其一用来输出操作结果，另一个用来输出标志位。

标志位用来表示操作结果的特殊信息，一般有以下几种标志位。

C 进位标志位；

Z 零标志位；

S 符号标志位；

AC 辅助进位标志位；

P 奇偶校验标志位。

ALU执行的典型操作有加法、减法、增量、减量、逻辑与、逻辑或、异或、求补等。

2．控制部件

控制部件(CU)用来产生一定序列的控制信号以执行指令所规定的操作。

大多数微处理器的控制部件采用微程序设计技术，这是用ROM(只读存储器)或PLA(可编程序逻辑阵列)来实现的。

3．寄存器

寄存器可用来存放数据和地址，还可用来控制程序执行的次序。

在微处理器中，通常有以下几种类型的寄存器。

(1)通用寄存器 用来存放数据和地址。由于CTU可直接处理这些数据和地址，通用寄存器的设置有助于减少访问存储器的次数，从而节省访问存储器的时间。

(2)累加器 在ALU的运算中，用来形成和存放运算结果的寄存器。

(3)存储地址寄存器(MAR) 用来存放所存取的存储单元的地址的寄存器。

(4)程序计数器(PC) 又称指令计数器，它是用来指出要执行的下条指令所在储单元的地址的计数器。

(5)变址寄存器(IX) 用来存放变址值的寄存器。变址值与指令的地址值相加形成有效地址(真正的地址)。

(6)指令寄存器(IR) 用来保存要执行的指令的内容(一直保存到该指令被译码为止)的寄存器。

4．堆栈

微处理器一般都设有堆栈。堆栈是只能在其一端存入与取出数据的存储区。堆栈的封闭为栈底，其栈顶所在端是开口的。堆栈中的数据是以后进先出(LIFO)的方式进行处理的。

堆栈的操作有推入(PUSH)和弹出(POP)两种。假设有一个含8个存储单元的堆栈，每个编有地址，其栈顶由堆栈指示器(SP)自动管理。每当进行推入或弹出操作，操作后SP便自动栈顶位置(有的微处理器则指出栈顶以上一个空单元的地址)。堆栈的推入与弹出操作如图1．2所示。

(a)原始状态

(b)推入S₃ S₄ S₅数据后

(c)弹出S₅数据后

图1．2．2－2 堆栈的推入与弹出

堆栈的实现方式有硬件堆栈和软件堆栈两种。

(1)硬件堆栈 硬件堆栈由CPU内部寄存器构成，其优点是访问寄存器的速度较快，但由寄存器数量的限制，硬件堆栈的深度是很有限的。

(2)软件堆栈 软件堆栈是在随机存取存储器RAM中开辟一个区域作为堆栈，因此软件：的深度几乎不受限制。目前微处理器中一般都采用软件堆栈。软件堆栈的缺点是访问存储器间比硬件堆栈访问寄存器的时间长。