写在前面：
- 本系列笔记主要以《计算机组成原理（唐朔飞）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。
- 视频链接：计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清_哔哩哔哩_bilibili
一、CPU（控制器）的功能
1、取指令
控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能，为此，要求控制器能自动形成指令的地址，并能发出取指令的命令，将对应此地址的指令取到控制器中。第一条指令的地址可以人为指定，也可由系统设定。
2、分析指令
分析指令包括两部分内容：其一，分析此指令要完成什么操作，即控制器需发出什么操作命令；其二，分析参与这次操作的操作数地址，即操作数的有效地址。
3、执行指令
执行指令就是根据分析指令产生的"操作命令"和"操作数地址"的要求，形成操作控制信号序列（不同的指令有不同的操作控制信号序列），通过对运算器、存储器以及I/O设备的操作，执行每条指令。
4、其它功能
控制器还必须能控制程序的输入和运算结果的输出（即控制主机与I/O设备交换信息）以及对总线的管理，甚至能处理机器运行过程中出现的异常情况（如掉电）和特殊请求（如打印机请求打印一行字符），即处理中断的能力。
总之，CPU必须具有控制程序的顺序执行（称指令控制）、产生完成每条指令所需的控制命令（称操作控制）、对各种操作加以时间上的控制（称时间控制）、对数据进行算术运算和逻辑运算（数据加工）以及处理中断等功能。
二、CPU的结构框图
1、CPU的内部结构
要取指令，必须有一个寄存器专用于存放当前指令的地址；要分析指令，必须有存放当前指令的寄存器和对指令操作码进行译码的部件；要执行指令，必须有个能发出各种操作命令序列的控制部件CU；要完成算术运算和逻辑运算，必须有存放操作数的寄存器和实现算逻运算的部件ALU（ALU部件实际上只对CPU内部寄存器的数据进行操作）；为了处理异常情况和特殊请求，还必须有中断系统。可见CPU可由四大部分组成，如下图所示（左图是简图，右图是对左图的细化）。
2、运算器的基本结构
（1）算术逻辑单元：主要功能是进行算术/逻辑运算。
（2）通用寄存器组：如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数、目的操作数及中间结果）和各种地址信息等。SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。
（3）暂存寄存器：用于暂存从主存读来的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。（比如两个操作数分别来自主存和
，最后结果存回，那么从主存中取来的操作数直接放入暂存器，就不会破坏运算前的内容）
（4）累加寄存器：它是一个通用寄存器，用于暂时存放ALU运算的结果信息，用于实现加法运算。
（5）程序状态字寄存器：保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息，如溢出标志（OP）、符号标志（SF）、零标志（ZF）、进位标志（CF）等。PSW中的这些位参与并决定微操作的形成。
（6）移位器：对运算结果进行移位运算。
（7）计数器：控制乘除运算的操作步数。
3、控制器的基本结构
（1）程序计数器：用于指出下一条指令在主存中的存放地址。CPU就是根据PC的内容去主存中取指令的，因程序中指令（通常）是顺序执行的，所以PC有自增功能。
（2）指令寄存器：用于保存当前正在执行的那条指令。
（3）指令译码器：仅对操作码字段进行译码，问控制器提供特定的操作信号。
（4）微操作信号发生器：根据IR的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构有组合逻辑型和存储逻辑型两种。
（5）时序系统：用于产生各种时序信号，它们都是由统一时钟（CLOCK）分频得到。
（6）存储器地址寄存器：用于存放所要访问的主存单元的地址。
（7）存储器数据寄存器：用于存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息。
三、CPU的寄存器
1、用户可见的寄存器
（1）通常CPU执行机器语言访问的寄存器为用户可见寄存器。
（2）用户可见寄存器分为以下几类：
①通用寄存器：通用寄存器可由程序设计者指定许多功能，可用于存放操作数，也可作为满足某种寻址方式所需的寄存器，例如基址寻址所需的基址寄存器、变址寻址所需的变址寄存器和堆栈寻址所需的栈指针，都可用通用寄存器代替。
②数据寄存器：数据寄存器用于存放操作数，其位数应满足多数数据类型的数值范围，有些机器允许使用两个连读的寄存器存放双倍字长的值。
③地址寄存器：地址寄存器用于存放地址，其本身可以具有通用性，也可用于特殊的寻址方式，如用于基址寻址的段指针（存放基地址）、用于变址寻址的变址寄存器和用于堆栈寻址的栈指针，另外地址寄存器的位数必须足够长，以满足最大的地址范围。
④条件码寄存器：条件码寄存器用于存放条件码，它们对用户来说是部分透明的。条件码是CPU根据运算结果由硬件设置的位，例如算术运算会产生正、负、零或溢出等结果。条件码可被测试，作为分支运算的依据。此外，有些条件码也可被设置，例如，对于最高位进位标志C，可用指令对它置位和复位。将条件码放到一个或多个寄存器中，就构成了条件码寄存器。
2、控制和状态寄存器
（1）CPU中还有一类寄存器用于控制CPU的操作或运算，在一些机器里，大部分这类寄存器对用户是透明的（即用户不可见）。
（2）如以下四种寄存器在指令执行过程中起重要作用：
①MAR：存储器地址寄存器，用于存放将被访问的存储单元的地址。
②MDR：存储器数据寄存器，用于存放欲存入存储器中的数据或最近从存储器中读出的数据。
③PC：程序计数器，存放现行指令的地址，通常具有计数功能，当遇到转移类指令时PC的值可被修改。（PC寄存器对用户可见）
④IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指令。
（3）通过上述4个寄存器，CPU和主存可交换信息。例如，将现行指令地址从PC送至MAR，启动存储器做读操作，存储器就可将指定地址单元内的指令读至MDR，再由MDR送至IR。
（4）在CPU内部必须给ALU提供数据，因此ALU必须可直接访问MDR和用户可见寄存器ALU的外围还可以有另一些寄存器，这些寄存器用于ALU的输入输出以及用于和MDR及用户可见寄存器交换数据。
（5）在CPU的控制和状态寄存器中，还有用来存放程序状态字PSW的寄存器，该寄存器用来存放条件码和其它状态信息。在具有中断系统的机器中还有中断标记寄存器。
四、控制单元和中断系统
控制单元（CU）是提供完成计算机全部指令操作的微操作命令序列部件。现代计算机中微操作命令序列的形成方法有两种：一种是组合逻辑设计方法，为硬连线逻辑；另一种是微程序设计方法，为存储逻辑。
中断系统主要用于处理计算机的各种中断。