CPU資訊

微處理機的基本結構


一個微處理機的功能可視為一個萬用的數位邏輯電路，基本結構中包括了(1)算術、邏輯運算電路 (2)控制電路 (3)暫存器電路。

為了讓讀者容易明白微處理機的功能，我們不妨先以一個萬用的邏輯電路來看待它的設計目的與演變。首先以(圖1-1a)的設計而言，當我們將資料輸入給微處理機時，微處理機的暫存器電路可以記錄此資料，然後由算術、邏輯運算電路計算後再存入暫存器電路等待輸出，輸入與輸出之間的傳輸，暫存器之間的資料搬移以及微處理機要做些什麼運算，就得靠控制電路來發揮功能了，而控制電路動作的順序，可由控制匯流排中的編碼告知控制電路。請讀者注意的是微處理機使用匯流排傳輸資料，資料輸出與輸入都是同樣的資料匯流排。
如果將控制匯流排中的編碼稱為指令，雖然我們可以從控制匯流排中輸入指令來告訴控制電路要做些什麼， 但是實際的應用中我們卻需要將指令也從資料匯流排中輸入，此時微處理機的設計就必須稍作改變。在控制電路的輸入端與資料匯流排之間增加了一個指令暫存器，用以儲存資料匯流排輸入的指令，取代了由控制匯流排輸入指令的功能，此時的控制匯流排並不因此而廢除，因為它還必須送入週期性的時脈信號用以區分資料匯流排中輸入的何者是指令或何者是資料，以及輸出信號告知外界資料匯流排上正處於輸入或是輸出。

前面的段落中我們曾經談到指令也需要從資料匯流排中輸入，這是因為我們希望能安排一系列的工作給微處理機自動的去處理，而非用手動方式在控制電路上一道一道地輸入指令，因此我們就必須將指令和資料作有順序的安排，也許你可以將這些指令和資料的編碼打成有洞的紙帶，然後將它經過光電轉換到資料匯流排上，就可完成順序處理的目的，但是現今的電腦都是用記憶體來存放微處理機工作程序的，因此微處理機在設計上又必須再做一些改造。
首先我們必須瞭解記憶體是一種依靠位址線區隔記憶資料的裝置，如果未曾學過記憶體請看2.2-2節的說明。微處理機為了能夠依序的從記憶體中得到應有的指令及資料，就必須規劃一個計數器來改變記憶體的位址，以便工作能夠依位址的遞增而進行，這個計數器在微處理機中稱為程式計數器(Program Counter)，它以位址匯流排輸出計數的狀態連接至記憶體的位址線，用以取得記憶體中的指令