外文翻译--中央微处理器CPU.doc

附录A1绪论CPU是CentralProcessingUnit（中央微处理器）的缩写，它是计算机中最重要的一个部分，由运算器和控制器组成。CPU的发展非常迅速，个人电脑从8088(XT)发展到现在的Pentium4时代，只经过了不到二十年的时间。其内部结构归纳起来都可以分为控制单元、逻辑单元和存储单元三大部分，这三个部分相互协调，对命令和数据进行分析、判断、运算并控制计算机各部分协调工作。CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了，可以说个人电脑的发展是随着CPU的发展而前进的。1971年，英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004，这是第一个可用于微型计算机的四位微处理器，它包含2300个晶体管。随后英特尔又推出了8008，由于运算性能很差，其市场反应十分不理想。1974年，8008发展成8080,成为第二代微处理器。8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中，如果没有微处理器,这些应用就无法实现。由于微处理器可用来完成很多以前需要用较大设备完成的计算任务，价格又便宜，于是各半导体公司开始竞相生产微处理器芯片。Zilog公司生产了8080的增强型Z80，摩托罗拉公司生产了6800，英特尔公司于1976年又生产了增强型8085,但这些芯片基本没有改变8080的基本特点，都属于第二代微处理器。它们均采用NMOS工艺,集成度约9000只晶体管,平均指令执行时间为1S2S,采用汇编语言、BASIC、Fortran编程，使用单用户操作系统。微处理器或计算机是采用把众多已连接好线并测试过的部件制作在很小的芯片上而造成的大规模集成技术。1.1微处理器的结构微处理器或计算机是采用把众多已连接好线并测试过的部件制作在很小的芯片上而造成的大规模集成技术。所有的中央处理单元或微处理器都包括以下基本部件。存储器是能够存储一位或多位信息的媒体或装置。计算机的存储器可以分为两个部分。微处理器或计算机这两个术语经常相互使用，因此造成混乱。处于微计算机核心地位的微处理器仅是对数据进行操作的中央处理单元。把它变成微机系统，还需增加其他部件它们是存储器以及输入/输出部分。所有的这些功能由单个芯片或在一个电路板上的若干独立芯片来实现。微处理器的控制系统的设计基础依靠于输入数据的操作方式和微处理器的结构。“芯片”的字面含义是微处理器，是一硅片，其表面经过化学处理，掺入一些杂质以形成一定数量的电阻、二极管和三极管电路。微处理单元还包括一些由完成特定操作的结果决定其值为1或0的标志位。为特定应用而给微处理或计算机编程，经常要求程序员操作有关的寄存器或清除堆栈。因此，对从事微处理应用的人，了解上述基本部件的功能是十分重要的，所有的中央处理单元或微处理器都包括以下基本部件：(1)算术逻辑单元微处理器的基本功能是依据特定的指令对数据操作。这一功能实际上就是由ALU完成的。由存储器读取指令，并放入指令寄存器。用ALU内的累加器存放欲操作的数据之一，第二个数据可放在某一临时寄存器中。ALU所完成的基本功能有二进制加法、减法、取反、逻辑与、或以及异或。乘除之类的功能，可通过不断的加减来完成。数据操作完毕，运算数据便取代累加器中的原始数据。(2)指令寄存器指令寄存器是在程序指令期间的一个重要的元件。通常，计算机存储器中的程序指令是按顺序来进行的，每次是一条。根据是否满足某些特定条件，也可能跳转至其它程序段中的指令。所要执行的程序指令的地址是通过从指令寄存器中取出实际的指令来确定的。接着是译码和对指令的解释，以便决定ALU来完成的操作。执行完当前指令之后，下一条指令便装入指令寄存器，这个过程是重复的。(3)通用寄存器寄存器是微处理器芯片内部的存储单元，可用它存放数值。微处理器操作中的绝大部分都可以认为是数据在不同寄存器间的传递。每个寄存器都有唯一的位置，并给以唯一的数地址。微处理器的存储器可以认为是有大量的寄存器组成。这些寄存器可能是通用的或用于特定的功能。通用寄存器用作对其高速存取及数据操作。累加器是有特殊功能的寄存器，我们以它为例子。该寄存器用来保存待操作的数据或数据操作结果。在存储器、外部设备和累加器之间进行着大量的数据传送。八位微处理器的累加器是八位的。(4)变址寄存器变址寄存器是一个位于微处理器中的十六位内部寄存器。其内部在指令期间是要修改的（减少或增加）以便确定指令所涉及的存储单元地址。变址寄存器用于变址寻址操作。(5)标志寄存器微处理器还有一些以二进制开关形式呈现的标志位。它们的状态根据算术或逻辑运算的结果决定。例如，溢出标志位的状态由累加器中的数据是否溢出而定的。还有，当指令执行后，其值为零时，该标志位会有反应。符号位用来表示累加器中的数是正是负。某些微处理器有大量的标志位，它们的作用只有看相关手册，生产厂家提供的。(6)中断向量寄存器微处理器常常用来做实时数据采集和过程控制。这就意味着微处理器必须有对优先权很高的外部事件做出响应的能力。这种对CPU的请求，可能来自若干外设中的一个。向量中断过程便是要求中断正在执行的指令停止的外部装置，并且在执行完后，把程序控制转到发出中断申请的装置服务的程序段去。同时还要必须规定好返回地址，以便原程序能从被中断的地方重新开始。发中断的外部装置有数据段或向量来辨别。(7)堆栈许多微处理器的程序是一些子程序组成的。这些子程序用以完成程序主体中多次用到的一些功能。微处理器系统使用一段称为堆栈的存储器来存放各子程序的地址，以便主程序能从被中断转去处理子程序的那个点在开始执行。中断处理过程用到堆栈。送入堆栈和从中取出的数据是按照压入/弹出方式进行的。最后一个数据入栈，存放在栈顶。从堆栈取出数据时，取出的最后一个入栈的数据，即弹出的是最后一个数据项。这一过程称为后进先出和先进后出。其含义是：为取出最先入栈的数据项，必须先访问所有其余数据项。由于程序中经常包括一些嵌套的子程序，而且最后的子程序是最先要完成的，故上述过程是很有用的。因此，只能按顺序从堆栈中取出数据，不能像读写存储器那样，用随机方式读取。(8)堆栈指针寄存器堆栈有一定数量的存储单元。具体数量由微处理器的不同而不同。始终跟踪项应写入堆栈的那个存储单元，是必要的。使用堆栈指针寄存器，便可达到目的。不同的微处理器有不同的惯例。在某些系统中，堆栈指针寄存器中保存的是下一个数据项所在的存储单元的地址。而在另一些系统中，堆栈指针寄存器中保存的是下一个数据项所应占据的存储单元的地址。当一个新的数据项入栈时，堆栈存储地址减1，以有利于随后的数据装入下一个较低的存储单元。同样，当从栈区取出一个数据时，堆栈指针将加1。(9)程序计数器微处理器或计算机的指令是顺序执行，除非指令有安排。因此，就必须跟踪有待执行的下一条指令，一个叫程序计数器的16位寄存器就是用于此。首次执行程序时，要初始化程序计数器，装入程序执行的第一条指令所在位置。一条指令执行完后，程序计数器存放的将是下一条指令的地址。在程序正常执行时，程序计数器的内容将加1。可是，经常会遇到跳过好几条指令的现象。这种情况下，可以用一些合适的指令来给程序计数器赋以不同的数值。例如，如果变址寄存器中存放这待执行的下一条指令的地址，那么该地址便可装入程序计数器，这是指令跳转的一个方法。(10)控制单元微处理器中有一个操纵和监督各种指令和同步执行的控制单元。该单元与提供时序和控制信号的时钟相连接。在存储器中取得指令，放到指令寄存器中，并由含有指令集合的指令译码器进行译码。译码后的指令便可执行。下一条指令（在存储器中）的地址，可从程序计数器中取出，并装入指令寄存器。整个过程周而复始。这种的取指、执行的周期性过程是在很高的速度进行的。并因微处理器不同而不同，还取决于所执行指令的复杂程度。取指和译码所需时间取决于常被称为微循环时间的基本周期。1.1.1时钟