微处理器的类型、内部结构及功能

中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件，其主要功能是进行算术运算和逻辑运算。

CPU可以集成在一个半导体芯片上，这种具有CPU功能的大规模集成电路器件被统称为“微处理器”（Microprocessor，μP）。微处理器伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高（见图5-12）。

图5-12 微处理器（Renesas H8S/2351）

按照其处理信息的字长，微处理器可以分为8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器和64位微处理器等。

1.处理器结构

处理器由算术逻辑单元、寄存器、总线、输入/输出接口电路等部分组成。

微处理器一般由算术逻辑单元（Arithmetic Logical Unit，ALU）、累加器、通用寄存器组、程序计数器（也叫指令指标器）、时序和控制逻辑部件、数据与地址锁存器/缓冲器、内部总线等部分组成。

ALU主要完成算术运算（+、-、×、÷）和各种逻辑运算（与、或、非、异或、比较等）、移位运算等操作。ALU是组合电路，本身无寄存操作数的功能，因而必须有保存操作数的两个寄存器——暂存器（TMP）和累加器（AC），累加器既向ALU提供操作数，又接收ALU的运算结果（见图5-13）。

图5-13 处理器内部结构

寄存器阵列实际上相当于微处理器内部的RAM，它包括通用寄存器组和专用寄存器组两部分。

1）通用寄存器（A、B、C、D）用来存放参加运算的数据、中间结果或地址。它们一般均可作为两个8位的寄存器来使用。处理器内部有了这些寄存器之后，就可避免频繁地访问存储器，可缩短指令长度和指令执行时间，提高机器的运行速度，也给编程带来方便。

2）专用寄存器包括程序计数器（PC）、堆栈指示器（SP）和标志寄存器（FR），它们的作用是固定的，用来存放地址或地址基值。

①PC用来存放下一条要执行的指令地址，因而它控制着程序的执行顺序。在顺序执行指令的条件下，每取出指令的一个字节，PC的内容自动加1。当程序发生转移时，就必须把新的指令地址（目标地址）装入PC，这通常由转移指令来实现。

②SP用来存放栈顶地址。堆栈是存储器中的一个特定区域。它按“后进先出”方式工作，当新的数据压入堆栈时，栈中原存信息不变，只改变栈顶位置，当数据从栈弹出时，弹出的是栈顶位置的数据，弹出后自动调整栈顶位置。也就是说，数据在进行压栈、出栈操作时，总是在栈顶进行。堆栈一旦初始化（即确定了栈底在内存中的位置）后，SP的内容（即栈顶位置）由CPU自动管理。

③FR也称程序状态字（PSW）寄存器，用来存放算术、逻辑运算指令执行后的结果特征，如结果为0，产生进位或溢出标志等。

时序与控制逻辑是微处理器的核心控制部件，负责对整个计算机进行控制，包括从存储器中取指令、分析指令（即指令译码）、确定指令操作和操作数地址、取操作数、执行指令规定的操作、送运算结果到存储器或I/O端口等。它还向微机的其他各部件发出相应的控制信号，使CPU内、外各部件间协调工作。

总线是计算机系统中各部件之间传送信息的公共通道，是微型计算机的重要组成部件。它由若干条通信线和起驱动、隔离作用的各种三态门器件组成。微型计算机在结构形式上总是采用总线结构，即构成微机的各功能部件（微处理器、存储器、I/O接口电路等）之间通过总线相连接，这是微型计算机系统结构上的独特之处。采用总线结构之后，使系统中各功能部件间的相互关系转变为各部件面向总线的单一关系。一个部件（功能板/卡）只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，从而使系统功能扩充或更新容易、结构简单、可靠性大大提高。在微型计算机中，根据他们所处位置和应用场合，总线可被分为片内总线、片总线、内总线、外总线四级。

1）片内总线位于微处理器芯片内部，故称为芯片内部总线。用于微处理器内部ALU和各种寄存器等部件间的互连及信息传送。由于受芯片面积及对外引脚数的限制，片内总线大多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品率的提高，如果要求加快内部数据传送速度，也可采用双总线或三总线结构。

2）片总线又称元件级（芯片级）总线或局部总线。微机主板、单板机以及其他一些插件板、卡（如各种I/O接口板、卡）本身就是一个完整的子系统，板/卡上包含有CPU、RAM、ROM、I/O接口等各种芯片，这些芯片间也是通过总线来连接的，因为这有利于简化结构，减少连线，提高可靠性，方便信息的传送与控制。通常把各种板、卡上实现芯片间相互连接的总线称为片总线或元件级总线。相对于一台完整的微型计算机来说，各种板/卡只是一个子系统，是一个局部，故又把片总线称为局部总线，而把用于连接微机各功能部件插卡的总线称为系统总线。(www.xing528.com)

3）内总线又称系统总线或板级总线，因为该总线是用来连接微机各功能部件而构成一个完整微机系统的，所以称之为系统总线。系统总线是微机系统中最重要的总线，人们平常所说的微机总线就是指系统总线，如PC总线、AT总线（ISA总线）、PCI总线等。

系统总线上传送的信息包括数据信息、地址信息、控制信息，因此系统总线包含有三种不同功能的总线，即数据总线（Data Bus，DB）、地址总线（Address Bus，AB）和控制总线（Control Bus，CB）。

①数据总线用于传送数据信息。数据总线是双向三态形式的总线，即它既可以把CPU的数据传送到存储器或I/O接口等其他部件，也可以将其他部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理的字长相一致，例如Intel8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。需要指出的是，数据的含义是广义的，它可以是真正的数据，也可以是指令代码或状态信息，有时甚至是一个控制信息，因此，在实际工作中，数据总线上传送的并不一定仅仅是真正意义上的数据。

②地址总线是专门用来传送地址的，由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口，所以地址总线总是单向三态的，这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，比如8位微机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为2¹⁶=64KB，16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为2²⁰=1MB。一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2ⁿ字节。

③控制总线用来传送控制信号和时序信号。控制信号中，有的是微处理器送往存储器和I/O接口电路的，如读/写信号、片选信号、中断响应信号等；也有是其他部件反馈给CPU的，如中断申请信号、复位信号、总线请求信号、限备就绪信号等。因此，控制总线的传送方向由具体控制信号而定，一般是双向的，控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。实际上控制总线的具体情况主要取决于CPU。

4）外总线也称通信总线，用于两个系统之间的连接与通信，如两台微机系统之间、微机系统与其他电子仪器或电子设备之间的通信。常用的通信总线有IEEE488总线、VXI总线和RS-232串行总线等。外总线不是微机系统本身固有的。

根据微处理器的应用领域，微处理器大致可以分为通用高性能微处理器、嵌入式微处理器/数字信号处理器、微控制器三类。一般而言，通用处理器追求高性能，它们用于运行通用软件，配备完备、复杂的操作系统；嵌入式微处理器和数字信号处理器强调处理特定应用问题的高性能，主要用于运行面向特定领域的专用程序，配备轻量级操作系统，主要用于蜂窝电话、CD播放机等消费类家电；微控制器即通常所说的单片机，其价位相对较低，在微处理器市场上需求量最大，主要用于汽车、空调、自动机械等领域的自控设备。

微处理器本身并不能单独构成一个独立的工作系统，也不能独立地执行程序，必须配上存储器、输入输出设备等构成一个完整的微型计算机后才能独立工作。

2.微处理器

微处理器的全部电路集成在一块大规模集成电路中。它包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器、控制部件，这三个基本部分由内部总线连接在一起。微处理器把一些信号通过寄存器或缓冲器送到集成电路的引线上，以便与外部的微型机总线相连接。

在微处理器内部，这三部分之间的信息交换是采用总线结构来进行的，总线是各组件之间信息传输的公共通路，这里的总线称为“内部总线”（或“片内总线”），对用户而言无法直接控制内部总线的工作，因此内部总线是“透明”的。

内部总线是“透明”的是指不能用指令使内部的总线进行数据的控制，但是实际执行某些指令时，内部总线已经被控制了。

3.单片机

单片机也称微控制器（Micro-Controller Unit，MCU），是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件——CPU、内存、内部和外部总线系统，大部分还会具有外存，同时集成诸如通信接口、定时器、实时时钟等外围设备，而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统等都集成在一块芯片上。

早期的单片机都是8位或4位的。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。20世纪90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着Inteli960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端产品的地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。

单片机具有体积小、可靠性高、成本低等特点，广泛应用于计算机外部设备、智能仪器、仪表、家用电器、工业控制等领域。

4.单板机

单板机是将计算机的各个功能部分都组装在一块PCB上，包括微处理器、存储器和输入输出接口，还有简单的七段发光二极管显示器、小键盘、插座等。

单板机本身自成一个系统，具有结构紧凑、使用简单、成本低廉等特点，常常应用于工业控制和实验教学等领域。