Question

计算机硬件系统—CPU（运算器和控制器）（一）

Answer 1

现代计算机 硬件系统 （包括我们生活中最常见的PC个人计算机），包含 五大类 ，也叫 五大部件 ，分别是 运算器 、 控制器 、 存储器 、 输入设备 、 输出设备 。

  一、运算器

运算器，一般最少包括 3个寄存器 和 1个算术逻辑单元 ，现代计算机内部往往设有 通用寄存器组 。

寄存器，一种有限存储容量的高速存储部件，可用来暂存 指令 、 数据 和 位址 。寄存器有很多种类，一般涉及到四则运算的有3类， ACC（Accumulator） 为 累加器 ， MQ（Multiplier-Quotient Register） 为 乘商寄存器 ， X 为 操作数寄存器 ，3类寄存器在完成不同运算时，所存放的操作数类别也各不相同。

关于 乘积高位 和 乘积低位 的概念，以十进制为例，百位就是十位的高位，十位是百位的低位。两个16位数相乘，结果可能会有32位，那左半部分的16位就是乘积高位，存储到ACC中，右半部分的16位就是乘积低位，存储到MQ中。

算术逻辑单元（ALU，Arithmetic and Logic Unit） ，是 算术运算 和 逻辑运算 的部件。算术运算包括 加、减、乘 的整数运算，逻辑运算是 与、或、非和异或 等逻辑操作，还有 移位 、比较和传送等操作。

移位运算 ，将一个字符向左或向右移动位，或是浮动特定位，包含带符号延伸和无符号延伸，在程序中应用很广泛。

二、控制器

在了解控制器之前，首先需要理解，什么是 指令 。对计算机来说，计算机本身能且只能执行 “指令” ，也就是说，我们外在所见到计算机各种智能化的表现，本质上是计算机执行各种指令的结果。

指令，由 操作码 和 地址码 组成。操作码表示计算机要执行的某种操作的性质，简单来说就是计算机需要干什么，由操作码决定；地址码是操作码执行时的操作对象的地址，操作对象是指被操作的数据，也叫 操作数 。

控制器 ，是计算机的指挥中心，负责决定执行程序的顺序，给出执行指令时机器各部件所需要的操作控制命令。

控制器由 程序计数器（PC，Program Counter） 、 指令寄存器（IR，Instruction Register） 、 指令译码器（ID，Instruction Decoder） 、 时序产生器（Timing Generator） 、 操作控制器（Control Unit） 组成。

指令寄存器IR ，是用来存放当前正在执行的的一条指令，存放的内容来自于 数据寄存器（DR，Data Register） 。当一条指令需要被执行时，先要把它从内存取到数据寄存器，然后再送到指令寄存器IR中。

指令译码器ID ，在计算机执行一条指定的指令时，必须首先分析这条指令的操作码是什么，以决定操作的性质和方法，然后控制计算机的其他各部件协同完成指令表达的功能，这中间的分析工作就是指令译码器ID完成的。

程序计数器PC ，用来存放下一条要执行指令的地址，它与存储器（内存）之间有一条直接通路。执行指令时，首先需要根据程序计数器PC中存放的指令地址，将指令由内存取到指令寄存器IR，完成 “取指令” 的操作。程序计数器PC本身具有自动加1的功能，可以自动给出下一条指令的地址，如此循环，执行每一条指令。

时序产生器 ，类似于“时间作息表”，给计算机各部分提供工作所需的时间标志，一般是利用定时脉冲的顺序和不同的脉冲间隔来实现。

操作控制器 ，根据指令所需完成的操作和信号，发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象，完成指令的执行。

整个控制器的运行逻辑是先按照程序计数器所指出的指令地址，从内存中取出一条指令到指令寄存器IR，然后又指令译码器ID对指令进行分析，之后操作控制器根据指令的功能向有关部件发出控制命令，执行控制指令的操作。完成操作之后，程序计数器加1，再重复执行上述操作。

运算器和控制器，共同组成计算机最核心的部件— CPU ，即 中央处理器（Control Processing Unit） 。