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在CPU中至少要有六类寄存器:指令寄存器(IR)、程序计数器(PC)、地址寄存器(AR)、数据寄存器(DR)、累加寄存器(AC)、程序状态字寄存器(PSW)。这些寄存器用来暂存一个计算机字,其数目可以根据需要进行扩充。

1. 数据寄存器

数据寄存器(Data Register,DR)又称数据缓冲寄存器,其主要功能是作为CPU和主存、外设之间信息传输的中转站,用以弥补CPU和主存、外设之间操作速度上的差异。

数据寄存器用来暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字;反之,当向主存存入一条指令或一个数据字时,也将它们暂时存放在数据寄存器中。

数据寄存器的作用是 :

(1)作为CPU和主存、外围设备之间信息传送的中转站;

(2)弥补CPU和主存、外围设备之间在操作速度上的差异;

(3)在单累加器结构的运算器中,数据寄存器还可兼作操作数寄存器。

2. 指令寄存器

指令寄存器(Instruction Register,IR)用来保存当前正在执行的一条指令。

当执行一条指令时,首先把该指令从主存读取到数据寄存器中,然后再传送至指令寄存器。

指令包括操作码和地址码两个字段,为了执行指令,必须对操作码进行测试,识别出所要求的操作,指令译码器(Instruction Decoder,ID)就是完成这项工作的。指令译码器对指令寄存器的操作码部分进行译码,以产生指令所要求操作的控制电位,并将其送到微操作控制线路上,在时序部件定时信号的作用下,产生具体的操作控制信号。

指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码,即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。

3. 程序计数器

程序计数器(Program Counter,PC)用来指出下一条指令在主存储器中的地址。

在程序执行之前,首先必须将程序的首地址,即程序第一条指令所在主存单元的地址送入PC,因此PC的内容即是从主存提取的第一条指令的地址。

当执行指令时,CPU能自动递增PC的内容,使其始终保存将要执行的下一条指令的主存地址,为取下一条指令做好准备。若为单字长指令,则(PC)+1àPC,若为双字长指令,则(PC)+2àPC,以此类推。

但是,当遇到转移指令时,下一条指令的地址将由转移指令的地址码字段来指定,而不是像通常的那样通过顺序递增PC的内容来取得。

因此,程序计数器的结构应当是具有寄存信息和计数两种功能的结构。

4. 地址寄存器

地址寄存器(Address Register,AR)用来保存CPU当前所访问的主存单元的地址。

由于在主存和CPU之间存在操作速度上的差异,所以必须使用地址寄存器来暂时保存主存的地址信息,直到主存的存取操作完成为止。

当CPU和主存进行信息交换,即CPU向主存存入数据/指令或者从主存读出数据/指令时,都要使用地址寄存器和数据寄存器。

如果我们把外围设备与主存单元进行统一编址,那么,当CPU和外围设备交换信息时,我们同样要使用地址寄存器和数据寄存器。

5. 累加寄存器

累加寄存器通常简称累加器(Accumulator,AC),是一个通用寄存器。

累加器的功能是:当运算器的算术逻辑单元ALU执行算术或逻辑运算时,为ALU提供一个工作区,可以为ALU暂时保存一个操作数或运算结果。

显然,运算器中至少要有一个累加寄存器。

6. 程序状态字寄存器

程序状态字(Program Status Word,PSW)用来表征当前运算的状态及程序的工作方式。

程序状态字寄存器用来保存由算术/逻辑指令运行或测试的结果所建立起来的各种条件码内容,如运算结果进/借位标志(C)、运算结果溢出标志(O)、运算结果为零标志(Z)、运算结果为负标志(N)、运算结果符号标志(S)等,这些标志位通常用1位触发器来保存。

除此之外,程序状态字寄存器还用来保存中断和系统工作状态等信息,以便CPU和系统及时了解机器运行状态和程序运行状态。

因此,程序状态字寄存器是一个保存各种状态条件标志的寄存器。