主流CPU的工作原理

主流CPU的工作原理

主流CPU的工作原理

CPU的基本构成

CPU的内部结构可分为：控制单元、逻辑运算单元、存储单元（包括内部总线和缓冲器）三大部分。

1.指令高速缓存

是芯片上的指令仓库，这样微处理器就不必停下来查找计算机的内存中的指令。这种快速方式加快了处理速度。

2.控制单元

它负责有整个处理过程。根据来自译码单元的指令，它会生成控制信号，告诉运算逻辑单元（ALU）和寄存器如何运算、对什么进行运算以及怎样对结果时处理。

3.运算逻辑单元（ALU）

是芯片的智能部件，能够执行加、减、乘、除等各种命令。此外，它还知道如何读取逻辑命令，如或、与、非。来自控制单元的讯息将告诉运算逻辑单元应该做些什么，然后运算单元将寄存器中提取数据。以完成任务。

4.寄存器

是运算逻辑单元（ALU）为完成控制单元请求的任务所使用的数据的小型存储区域。（数据可以来自高速缓存、内存、控制单元）

5.预取单元

根据命令或将要执行的任务决定，何时开始从指令高速缓存或计算机内存中获取数据和指令。当指令到达时，预取单元最重要任务是确保所有指令均按正确的排列，以发送到译码单元。

6.数据高速缓存

存储来自译码单元专门标记的数据，以备运算逻辑装单元使用，同时还准备了分配到计算机不同部分的最终结果。

7.译码单元

是将复杂的机器语言指令解译运算逻辑单元（ALU）和寄存器能够理解的简单格式。

8.总线单元

是指令从计算机内存流进和流出的处理器的地方。

CPU的工作原理

一个工厂对产品的加工过程：

进入工厂的原料（程序指令），结过物资分配部门（控制单元）的调度分配，被送往生产线（逻辑运算单元），生产出的成品（处理后的数据）后，再存储在仓库（存储单元）中，最后等着拿到市场上去卖（交由应用程序使用）。

CPU的工作原理：

从控制单元开始，CPU就开始了正式工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作结束。首先，指令指针会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号（称为地址），可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元（ALU）什么时候计算，告诉指令读取器什么时候取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。

根据对指令类型的分析和特殊工作状态的需要，CPU设置了六种工作周期，分别用六

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个触发器来表示它们的状态，任一时刻只许一个触发器为1，表时CPU所处周期状态，即指令执行过程中的某个阶段。

1.取指周期（FC）

CPU在FC中完成取指所需要操作。每条指令都必须经历取指周期FC，在FC中完成的操作与指令操作码无关的公共操作。但FC结束后转向哪个周期则与本周期中取出的指令类型有关。

2.源周期（SC）

CPU在SC中完成取源操作数所需的操作。如指令需要源操作数，则进入SC。在SC中根据指令寄存器IR的源地址信息，形成源地址，读取源操作数。

3.目的周期（DC）

如果CPU需要获得目的操作数或形成目的地址，则进DC。在DC中根据IR中的目的地址信息进行相应操作。

4.执行周期（EC）

CPU在取得操作数后，则进入EC，这也是第条指令都经历的最后一个工作阶段。在EC中将依据IR中的操作码执行相应操作，如传递、算术运算、逻辑运算、形成转移地址等。

5.中断响应周期（IC）

CPU除了考虑指令正常执行，还应考虑对外部中断请的处理。CPU在向应中断请求后，进入中断响应周期IC。在IC中将直接依靠硬件进行保存断点、关中断、转中断服务程序入口等操作，IC结束转入取指周期，开始执行中断服务程序。

6.DMA传送周期（DMAC）

CPU响应DMA请求后，进入DMAC中，CPU交出系统总线的控制权，由DMA控制器控制系统总线，实现主存与外围设备之间的数据直接传送。因此对CPU来说，DMAC是一个空操作周期。

CPU控制流程，描述了工作周期状态变化情况：

为了简化控制逻辑，限制在一条指令结束是判断有无DMA请求，若有请求，将插入DMAC；如果在一个DMAC结束前又提出新的DMA请求，则连续安排若干DMA传送周期。

如果没有DMA请求，则继续判断有无中断请求，若有则进入IC。在IC中完成需的操作后向新的FC，这表明进入中断服务程序。

一、进入debug环境

C:\debug 回车或在DOS提示符下,在MASM子目录下，按DEBUG及回车后即进入DEBUG环境。在DEBUG提示符下可输入各命令

二、常用debug命令介绍

（1）显示，修改寄存器内容

显示所有寄存器内容

格式：－r 回车

功能：以十六进制形式显示cpu内部个寄存器的值；以符号形式显示标志寄存器的各标志位（除tf外）的值；并将CS：IP所指的内存内容反汇编成一条指令，可视为将要执行的指令。 如：

－r 回车

AX=0000 BX=0000 CX=0000 DX=0000 SP=FFEE BP=0000 SI=0000 DI=0000 DS=0AF0 ES=0AF0 SS=0AF0 CS=0AF0 IP=0200 NV UP EI PL NZ NA PO NC

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0AF0:0200 B238 MOV DL,38

知：cs＝0AF0h，IP＝0100h

修改寄存器

格式：－r 寄存器名 回车

-r ds

DS 0AF

:0AE0

-r

ds的内容由原来的0af0h修改为0ae0h

修改标志值

格式：－rf

例：-rf

NV UP EI PL NZ NA PO NC -ov ng 回车

将of，sf的值分别修改为1。

(2)汇编，反汇编命令

汇编命令 A

格式：－A 内存地址 回车

例：调用dos中02h号功能显示字符‘a’，将该程序汇编到1270：100h开始的内存中。 -A1270:100

1270:0100 mov,ah,2

1270:0102 mov,dl,61

1270:0104 int 21

1270:0106 int 20

1270:0108

-

反汇编命令 U

格式：－u 内存块 回车

功能：分三列显示反汇编的结果，第一列为指令首地址，第二列为16进制形式的指令机器码，第三列为指令的助记符。

-u 1270:100

1270:0100 B402 MOV AH,02

1270:0102 B261 MOV DL,61

1270:0104 CD21 INT 21

1270:0106 CD20 INT 20

1270:0108 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:010A 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:010C 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:010E 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:0110 0000 ADD [BX+SI],AL

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1270:0112 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:0114 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:0116 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:0118 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:011A 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:011C 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:011E 0000 ADD [BX+SI],AL

-

（3）执行程序

单步执行

格式：－t＝内存地址 回车

格式：－p＝内存地址 回车

功能：用命令中的内存地址的段地址和偏移地址修改cs和ip，然后执行由cs：ip指向的内存单元处的一条指令，显示各寄存器的值，并反汇编下一条指令，返回debug状态。 例：

-t=1270:100

AX=0200 BX=0000 CX=0000 DX=0000 SP=FFEE BP=0000 SI=0000 DI=0000 DS=0AE0 ES=0AF0 SS=0AF0 CS=1270 IP=0102 OV UP EI NG NZ NA PO NC 1270:0102 B261 MOV DL,61

-

执行结果：ah＝2，cs值不变，ip的值增加2，cs：ip指向第二条指令

多步执行

格式：－t＝内存地址 执行指令的条数

格式：－p＝内存地址 执行指令的条数

命令t和p的不同：

one：带重复前缀rep/repnz/repz的串操作指令和loop/loopz/loopn等循环指令是与cs相关的指令。用t命令执行这类指令时，每执行一次，cx值减一，就停下来返回debug；而p命令执行时，一直执行到cx＝0，执行其后的下一条指令，才返回debug

two：调用指令call及中断调用指令int，由于这类指令修改了cs和ip，使程序结构产生转向。用t命令则在cs：ip（子程序）入口处停下来返回debug，可用t命令进行跟踪。而用p命令则显示call和int的下一条指令

如：分别用t和p执行1270：0140h处的指令int 21h。

-t=1270:104

AX=0200 BX=0000 CX=0000 DX=0000 SP=FFE8 BP=0000 SI=0000 DI=0000 DS=0AE0 ES=0AF0 SS=0AF0 CS=00A7 IP=107C OV UP DI NG NZ NA PO NC 00A7:107C 90 NOP

-p=1270:104

AX=0200 BX=0000 CX=0000 DX=0000 SP=FFE8 BP=0000 SI=0000 DI=0000 DS=0AE0 ES=0AF0 SS=0AF0 CS=1270 IP=0106 OV UP DI NG NZ NA PO NC 1270:0106 CD20 INT 20

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连续执行

－g＝内存地址

断点执行

格式：－g＝内存地址 断点地址

（4）显示，修改内存内容

显示命令 d

格式：－d 内存块

例：显示-d1270:100h到1210内存块的内容

-d1270:100 l30

1270:0100 B4 02 B2 61 CD 21 CD 20-00 00 00 00 00 00 00 00 ...a.!. ........

1270:0110 00 00 00 00 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00 ................

1270:0120 00 00 00 00 00 00 00 00-00 00 00 00 00 00 00 00 ................

修改命令 e

格式1：－e 内存地址 字符或数值串

格式2：－e 内存地址

填充指令

格式：－f 内存块 字符或数值串

例：－f ds：2000 2100 ‘hello world’

搜索指令 s

格式：－s 内存块 字符或数值串

移动指令 m

格式：－m 内存块1 内存块2的首地址

功能：将内存块1的内容复制到内存块2，内存块1内容不变

比较指令 c

格式：－c 内存块1 内存块2的首地址

（5）读写磁盘

指定文件命令 N

格式：－N[d:][PATH]文件名.扩展名 回车

功能：为命令L和命令W指定文件，其中[d:][PATH]为文件所在的盘号和路径。

写入命令 W

格式：－W 内存地址 回车

功能：将指定内存块的内容写到由命令N指定的文件中，其中内存块的首地址命令W指定，内存块的大小由BX，CX两寄存器决定，BX存放内存块大小的高字节，CX存放内存块大小的低字节。

装入命令L块

格式：－L内存地址 回车

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功能：将命令N指定的文件装入到命令L给出的内存地址开始处。文件固定装入到CS：IP处。

装入可执行的.EXE或.COM文件

通常在调试可执行的.EXE或.COM文件时，可以不用N和L命令来装入，而直接在进入debug的命令后加上要装入的文件。

格式：>[d:][path]debug 文件名.扩展名 回车

功能：将命令中指定的文件装入到内存CS：IP处

例：把从1270：100h开始30h个字节的内存块内容写到D盘的根目录AA.DAT文件中 -n I:aa.dat ；用命令N指定文件名

-r bx ；修改BX的值

BX 0000

:0 ；bx＝0h，存放文件长度的高位值

-r cx

CX 0010

:30 ；cx＝30h，存放文件长度的低位值

-w 1270:100 ；将指定的内存块写到aa.dat文件上。

Writing 00030 bytes

例：将I盘根目录下的aa.dat文件调到内存CS：100h开始处。

-n I:aa.dat 回车

-l cs:100 回车

-u cs:100 回车

1270:0100 B402 MOV AH,02

1270:0102 B261 MOV DL,61

1270:0104 CD21 INT 21

1270:0106 CD20 INT 20

1270:0108 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:010A 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:010C 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:010E 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:0110 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:0112 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:0114 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:0116 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:0118 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:011A 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:011C 0000 ADD [BX+SI],AL

1270:011E 0000 ADD [BX+SI],AL

(6)I/O端口地址

.输入命令

格式：－I 端口地址 回车

功能：将指定端口的内容输入到AL寄存器，并显示该值。

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输出命令

格式：－o 端口地址 数值 回车

功能：将命令中的数值输出到指定端口中

(7)十六进制加减

格式：－h 数值1 数值2

(8)退出命令

格式：-q