2.2.3 中央处理单元

CPU是控制器和运算器的合称。作为计算机的核心部件，对其结构作必要的了解，有益于掌握现代计算机的工作原理。图2-4是CPU的逻辑结构简图，只列出了说明其工作原理的必要部分。

图2-4 CPU的逻辑结构简图

图2-4中，上半部分可以认为是控制器，下半部分可以认为是运算器，两者是通过总线连在一起的。由于在微机中，CPU被实现为一块称做微处理器的集成电路芯片，连接运算器和控制器的总线位于该芯片内部，故也称做内部总线。内部总线最终和外部总线相连，从而使得运算器、控制器与计算机的其他部件连在一起。

控制器一般包括指令译码器、控制电路、指令寄存器和程序计数器四个必要部件。指令寄存器是一个寄存装置，其中寄存的是当前计算机正要执行的指令。在计算机处于工作状态时，控制器总是不断地把将要执行的指令从存储器中取出，经总线存放在指令寄存器中。一旦一条要执行的指令被寄存在指令寄存器中，控制器就会启动它的指令译码器，对该指令进行译码工作。指令译码器对指令寄存器中的指令进行分析解释，并按照指令的要求驱动控制电路产生各种控制信号，指挥计算机的各个部件完成指令所要求的任务。待一条指令执行完，控制器又会去存储器中取出下一条要执行的指令，而下一条指令在存储器中的位置（地址）则存放在程序计数器中。程序计数器也是一个特殊的寄存装置，其中存放的是指令在存储器中的位置。控制器可以根据程序计数器中的内容，到存储器的某个位置取出指令并寄存在指令寄存器中。程序计数器作为一个指令地址的寄存装置，还有一项特殊的功能，即一旦某指令被控制器取走后，程序计数器中的内容会自动累加，其中的内容会更新为下一条要取出的指令在存储器中的地址。控制器的功能就是由这四个组成部件共同协作完成的。一旦计算机接通电源后，控制器就开始从存储器中取出指令，而后执行指令，然后再取出下一条指令，执行下一条指令，等等，按照这样的过程循环往复，一直工作到计算机关闭为止。

运算器通常由ALU和通用寄存器构成。ALU是完成算术运算和逻辑运算的电子装置，从图2-4可以看出，它有两条输入通路和一条输出通路。通常参与运算的数据经过输入通路进入ALU, ALU在控制器的指挥下，进行指令规定的运算，并把运算结果经输出通路输出到总线上。在图2-4中，除ALU外，还可以看到若干个通用寄存器。通用寄存器是CPU中的数据寄存装置，既可以存放参与运算的各种数据，也可以存放算术逻辑运算的结果，其中存放什么样的数据是由指令决定的，不像指令寄存器那样专门用来寄存指令。因而，通用寄存器不是一种专用的寄存器。在不同的CPU芯片中，通用寄存器的数量可多可少。同存储器相比，通用寄存器速度快。通用寄存器越多，可以寄存的数据就越多，CPU的运算速度就越快。但是受制于成本以及技术的限制，CPU中的通用寄存器并不能太多，一般而言，少则几个，多则几十个。