微處理器，即CPU(Central Processing Unit，中央處理單元，又稱微處理器)是指由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成的具有運(yùn)算器和控制器功能的中央處理機(jī)部件，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心或“大腦”，支配整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作。^[1]

　　微處理器最基本的功能結(jié)構(gòu)包括：運(yùn)算器、控制器、寄存器組及內(nèi)部總線。圖給出的是某8位微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它包括：運(yùn)算器、寄存器組(其中包括：累加器、狀態(tài)寄存器、程序計(jì)數(shù)器和其他功能的寄存器組)、指令寄存譯碼器、地址寄存器、數(shù)據(jù)緩沖器、內(nèi)部數(shù)據(jù)總線、外部引線(包括：地址信號(hào)線、數(shù)據(jù)信號(hào)線、控制/狀態(tài)信號(hào)線)等。各部分在微處理器中起著不同的作用：

　　(1)運(yùn)算器：是執(zhí)行運(yùn)算的部件，在控制信號(hào)作用下可完成加、減、乘、除、與、或、非、異或以及移位等工作，故又稱為算術(shù)邏輯單元。

　　(2)寄存器組：用了加快運(yùn)算和處理速度、暫存參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)或運(yùn)算的中間結(jié)果，是微處理器中十分重要的部分。寄存器組中包括：

　　1)累加器：是通用寄存器中的一個(gè)。通常微處理器中至少包含一個(gè)累加器，它的功能比其他寄存器多。

　　2)狀態(tài)寄存器：是寄存器組中的一個(gè)。專用于記錄微處理器運(yùn)行的某種重要狀態(tài)，程序可以根據(jù)其提供的狀態(tài)，來(lái)控制CPU的運(yùn)行。

　　3)程序計(jì)數(shù)器：是加一計(jì)數(shù)器，每提供一個(gè)地址后自動(dòng)加一，指向下一步要執(zhí)行指令所在存儲(chǔ)單元的地址。8位機(jī)為16位加一計(jì)數(shù)器，可提供65536(=0～FFFFH)個(gè)地址，硬件決定上電或復(fù)位時(shí)的初值狀態(tài)。程序計(jì)數(shù)器是專為處理器提供的，用戶無(wú)法通過(guò)指令訪問(wèn)它。其內(nèi)容可以通過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線得到修改。

　　4)其他功能的寄存器組

　　(3)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線：它是微處理器內(nèi)部各部分之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，且為雙向的。其總線的寬度決定微處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈粩?shù)。

　　(4)指令寄存譯碼器：它由指令寄存器(IR)、指令譯碼器(ID)和控制邏輯(PLA)組成，是整個(gè)微處理器的控制指揮中心。CPU通過(guò)總線將外部存儲(chǔ)器中的指令取入，并暫存在IR中。對(duì)IR中的指令進(jìn)行分析解釋，通過(guò)控制邏輯(PLA)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，來(lái)協(xié)調(diào)整個(gè)計(jì)算機(jī)有序地工作。

• 對(duì)CPU內(nèi)部：控制著各部分的工作。

• 對(duì)CPU外部．摔制CPU對(duì)外部讀操作或?qū)懖僮鳎畬?duì)存儲(chǔ)器操作或?qū)/O接口操作等。

　　(5)地址寄存器：用于寄存CPU要向外部發(fā)出的地址，其內(nèi)容來(lái)源可以是程序計(jì)數(shù)器，也可以是內(nèi)部總線。通過(guò)它將地址輸出給CPU以外的存儲(chǔ)器或I/O接口。

　　(6)數(shù)據(jù)緩沖器：起到CPU內(nèi)、外傳輸數(shù)據(jù)的緩沖作用，只有CPU允許數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，該緩沖器的門才會(huì)打開(kāi)。對(duì)于8位機(jī)它是8位的，對(duì)于16位機(jī)為16位。

　　(7)數(shù)據(jù)信號(hào)線(DB)：CPU與存儲(chǔ)器或I/O接口之間傳輸數(shù)據(jù)的通道，其寬度決定CPU與外部存儲(chǔ)器或I/O接口傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)。

　　(8)地址信號(hào)線(AB)：是CPU提供地址信息的通道，其寬度決定CPU對(duì)外的尋址范圍。

　　(9)控N/狀態(tài)信號(hào)線：用于傳輸控制或狀態(tài)信號(hào)的通道，如提供讀信號(hào)、寫信號(hào)、存儲(chǔ)器選通信號(hào)、I/O接口選通信號(hào)等，也可以接收時(shí)鐘信號(hào)等。

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，微處理器功能的增強(qiáng)，微處理器的內(nèi)部除了上述基本部分，還會(huì)增加存儲(chǔ)器管理部件、高速緩存部件等。

　　微處理器的工作過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程，而執(zhí)行程序就是逐步執(zhí)行一條條指令的過(guò)微處理器僅能識(shí)別機(jī)器指令，需使用各種編譯器將由高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言編制的程序轉(zhuǎn)機(jī)器指令構(gòu)成的程序。微處理器在執(zhí)行一條指令時(shí)，主要按以下幾個(gè)步驟去完成：

• 取指令：控制器發(fā)出信息從存儲(chǔ)器取一條指令。

• 指令譯碼：指令譯碼器將取得的指令翻譯成起控制作用的微指令。

• 取操作數(shù)：如果需要操作數(shù)，則從存儲(chǔ)器取得該指令的操作數(shù)。

• 執(zhí)行運(yùn)算：CPU按照指令操作碼的要求，通過(guò)執(zhí)行微指令，對(duì)操作數(shù)完成規(guī)定的運(yùn)算處理。

• 回送結(jié)果：將指令的執(zhí)行結(jié)果回送到內(nèi)存或某寄存器中。

　　微處理器的操作是周期性的，即取指令，指令譯碼，取操作數(shù)，再取指令……，這一系列操作步驟是精確地按照時(shí)序進(jìn)行的，因此微處理器需要一個(gè)時(shí)序電路。時(shí)序電路受控于晶體振蕩電路所生成的標(biāo)準(zhǔn)振蕩脈沖信號(hào)，一旦機(jī)器加電，時(shí)序電路便連續(xù)不斷地發(fā)出時(shí)鐘信號(hào)。

　　在微機(jī)系統(tǒng)中，CPU是在時(shí)鐘信號(hào)控制下，按節(jié)拍有序地執(zhí)行指令序列?？偩€周期就是機(jī)器周期，它是指處理器通過(guò)總線一次完成一個(gè)字節(jié)或若干個(gè)字節(jié)的傳輸所需要的時(shí)間。向存儲(chǔ)器或I/O端口寫入一個(gè)字節(jié)或若干個(gè)字節(jié)所需時(shí)間，稱為存儲(chǔ)器寫或I/O寫總線周期；從存儲(chǔ)器或I/O端口讀出一個(gè)字節(jié)或若干個(gè)字節(jié)所需的時(shí)間稱為存儲(chǔ)器讀或I/O讀總線周期。

　　一條指令從取指開(kāi)始至執(zhí)行完畢所需要的時(shí)間稱為指令周期。通常一個(gè)指令周期由一個(gè)到幾個(gè)總線周期構(gòu)成：而一個(gè)基本的總線周期包括4個(gè)時(shí)鐘周期，即4個(gè)時(shí)鐘狀態(tài)Tl、T2、T3和T4，需要時(shí)還要加入數(shù)量不定的等待周期(Tw)。若在完成一個(gè)總線周期后不發(fā)生任何總線操作，則填入空閑狀態(tài)時(shí)鐘周期(Ti)；若存儲(chǔ)器或I/O端口在數(shù)據(jù)傳送中不能以足夠快的速度做出響應(yīng)，則在T3與T4間插入一個(gè)或若干個(gè)Tw。

　　(1)T1狀態(tài)：微處理器向數(shù)據(jù)/地址復(fù)用的總線上輸出地址信息，指示尋址的存儲(chǔ)單元或I/O設(shè)備的端口地址：此時(shí)地址鎖存。

　　(2)T2狀態(tài)：地址信息消失，ADl5～ADO進(jìn)入高阻狀態(tài)，為傳送數(shù)據(jù)作好準(zhǔn)備。

　　(3)T3狀態(tài)：CPU通過(guò)ADl5～ADO傳送數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可能由微處理器發(fā)出，也可能來(lái)自存儲(chǔ)器或I/O端口。

　　(4)T4狀態(tài)：微處理器從總線上讀入數(shù)據(jù)到內(nèi)部寄存器或?qū)⒖偩€上的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器或I/0端口，總線周期結(jié)束。

　　早期的8088、80286，執(zhí)行一條指令的時(shí)間需要1個(gè)到幾個(gè)總線周期；80486采用指令流水線設(shè)計(jì)，執(zhí)行一條指令實(shí)際只需1個(gè)時(shí)鐘周期(微處理器時(shí)鐘周期)；Pentium處理器采用超標(biāo)量設(shè)計(jì)，在1個(gè)時(shí)鐘周期(微處理器時(shí)鐘周期)內(nèi)可以執(zhí)行兩條指令。

　　微處理器的工作時(shí)鐘產(chǎn)生方法：一、由專用時(shí)鐘電路加晶振產(chǎn)生；二、晶振直接接到微處理器時(shí)鐘引腳上，由微處理器內(nèi)部時(shí)鐘電路處理生成。

　　1．微處理器的特點(diǎn)

　　(1)體積小，功耗低

　　(2)可靠性高，使用環(huán)境要求低

　　由于使用大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路，簡(jiǎn)化了外接線和外加邏輯，安裝容易，大大提高了可靠性。

　　(3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，使用方便

　　現(xiàn)在的微處理器芯片及其相應(yīng)支持邏輯都有標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品，用戶可根據(jù)不同的要求構(gòu)成不同規(guī)模的系統(tǒng)。

　　2．微處理器的分類

　　(1)按微處理器位數(shù)分類有：位片、4位、8位、12位、16位、32位、64位等微處理器。

　　(2)按微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域分類有：通用高性能微處理器、嵌入式微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器和微控制器。