微处理器工作原理

微处理器

最近买了新电脑，微处理器是奔腾系列的，好像有点过时了，现在最低级都是酷睿了吧。下面还是来了解一下微处理器工作原理。

微处理器是所有标准计算机的心脏，无论该计算机是桌面计算机、服务器还是笔记本电脑。您正在使用的微处理器可能是奔腾、K6、PowerPC、Sparc或者其他任何品牌和类型的微处理器，但是它们的作用大体相同，工作方式也基本类似。

如果您曾经疑惑计算机中的微处理器是干什么用的，或者对各种类型的微处理器之间的差异感到迷惑，请继续阅读下面的内容。在本文中，您将了解到简简单单的数字逻辑电路技术如何让计算机完成诸如玩游戏或是对文档进行拼写检查的工作。


Intel4004芯片

微处理器（又称为CPU或中央处理单元）是装配在单颗芯片上的一个完整的计算引擎。第一颗微处理器是1971年问世的Intel 4004。4004的能力不算强大_它只能执行加减运算，而且每次只能对4位的数据进行运算。但是它是一个很奇妙的产品，因为所有东西都集成在一颗芯片中。在4004出现之前，工程师们要么使用一堆芯片来制造计算机，要么使用零散部件来搭建出计算机（一次连接一个晶体管）。4004曾被用来生产第一款便携式电子计算器。


Intel8080

使计算机进入寻常百姓家的第一款微处理器是Intel 8080，它是一个完整的8位计算机芯片，于1974年问世。而迅速在市场中走红的第一款微处理器则是1979年推出的Intel 8088，大概在1982年左右面世的IBM PC便使用了此微处理器。如果您熟悉PC市场及其历史，便会知道PC市场经历了从8088到80286、80386、80486，再到奔腾、奔腾II、奔腾III乃至奔腾4的发展过程。所有这些微处理器都是由英特尔制造的，而且都是对8088基本设计的改进。奔腾4可以执行最初的8088所能运行的所有代码，但是它的速度是8088的5000倍。

微处理器工作原理

微处理器能够执行许多非常复杂的工作，但是所有工作都属于这三种基本操作的范畴。下图显示了一个能够执行上述三种操作的非常简单的微处理器：


图3 微处理器工作原理

这是一个进行了最大程度简化的微处理器。此微处理器具有：

一条地址总线（总线宽度可以8位、16位或32位），用于向内存发送一个地址
一条数据总线（总线宽度可以是8位、16位或32位），能够将数据发送到内存或从内存取得数据
一条RD（读）和WR（写）线路，告诉内存它是希望写入某个地址位置还是获得某个地址位置的内容
一条时钟线路，将时钟脉冲序列发送到处理器
复位线路，用于将程序计数器重置为零（或者其他内容）并重新开始执行
在本例中，我们假定地址和数据总线的宽度都是8位的。

以下是这个简单的微处理器的各个组成部分：

寄存器A、B和C就是一些用触发器制造的锁存器。（有关详细信息，请参见布尔逻辑的应用一文的“边缘触发锁存器”部分。）
地址锁存器与寄存器A、B和C极其类似。

程序计数器也是一个锁存器，但是它有一种额外的能力，也就是能够在执行每条语句后将计数器加一，并在被告知应进行重置时将计数器重置为零。
ALU可以像一个8位加法器一样简单（有关详细信息，请参见布尔逻辑的应用一文中有关加法器的部分），也可以较为复杂，能够对8位的值进行加法、减法、乘法和除法运算。我们假定是后面一种加法器。

测试寄存器是一种特殊的锁存器，可以存放在ALU中执行的比较运算的结果。ALU通常可以比较两个数字，并确定它们是否相等以及其中一个数字是否大于另一个数字等。测试寄存器通常还可以保存加法器上一次计算产生的进位。它将这些值存放在触发器中，随后指令解码器可以使用这些值做出决定。
图中有六个标记有“3-State”（三态）的方框。它们是三态缓冲区。三态缓冲区可以输出1、0或者彻底断开其输出（可以将其想像为一个将输出线从电路中彻底断开的开关）。三态缓冲区能够将多种输出连接到电路中，但是线路上的某一个输出实际上代表的是1或0。

指令寄存器和指令解码器负责控制所有其他组件。

微控制器的使用

在电子门工作原理一文中，你了解到了7400系列TTL（晶体管逻辑电路）元件，在哪里购买以及如何装配它们。 你会发现要实现一个简单的装置通常需要很多门电路。 例如，在数字时钟部分，我们所设计的时钟可能需要15到20片芯片。微控制器的主要优势之一就在于，软件（你编写并在控制器上执行的那个小程序）可以取代许多门电路。 因此，本文中我们将用微控制器制作一台数字时钟。 这将是一台非常昂贵的数字时钟（近200美元！），但是在这一过程中，你将积累下今后几年使用微控制器需要的各种知识。 即使并不实际动手制作这样一个数字时钟，阅读相关内容就能让你获益良多。

这里用到的一款微控制器是专为方便日常生活设计的。 它是Parallax公司开发的名为“BASIC Stamp”的微控制器。 BASIC Stamp是一个兼容BASIC程序设计语言的PIC微控制器。使用BASIC程序设计语言使得微控制器的软件编写变得十分容易。 微控制器配套提供了一个9伏电池供电的母板，通过和计算机的一个端口相连对其进行编程。没有一个制造商会在实际的产品中使用BASIC Stamp——因为 Stamp价格高且速度慢（相对而言）。 但是，为进行实验建模或一次性演示产品使用Stamp非常普遍，因为它的设置和使用是令人难以置信的轻松。

该微控制器之所以被称为“Stamps”是因为它只有一张邮票大小。

Parallax公司生产了两种版本的BASIC Stamp：BS-1与BS-2。