电脑CPU里运算器和控制器的工作原理

Question

请问计算机CPU里的运算器和控制器的原理是什么？它们接收的指令也就是机器语言为什么能让它们理解并执行！希望能讲的详细点！最好是那种傻瓜似的！

Answer 1

运算器

arithmetic unit

计算机中执行各种算术和逻辑运算操作的部件。运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作，亦称算术逻辑部件（ALU）。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。

数据 运算器的处理对象是数据，所以数据长度和计算机数据表示方法，对运算器的性能影响极大。70年代微处理器常以1个、4个、8个、16个二进制位作为处理数据的基本单位。大多数通用计算机则以16、32、64位作为运算器处理数据的长度。能对一个数据的所有位同时进行处理的运算器称为并行运算器。如果一次只处理一位，则称为串行运算器。有的运算器一次可处理几位 （通常为6或8位），一个完整的数据分成若干段进行计算，称为串�并行运算器。运算器往往只处理一种长度的数据。有的也能处理几种不同长度的数据，如半字长运算、双倍字长运算、四倍字长运算等。有的数据长度可以在运算过程中指定，称为变字长运算。

按照数据的不同表示方法，可以有二进制运算器、十进制运算器、十六进制运算器、定点整数运算器、定点小数运算器、浮点数运算器等。按照数据的性质，有地址运算器和字符运算器等。

操作 运算器能执行多少种操作和操作速度，标志着运算器能力的强弱，甚至标志着计算机本身的能力。运算器最基本的操作是加法。一个数与零相加，等于简单地传送这个数。将一个数的代码求补，与另一个数相加，相当于从后一个数中减去前一个数。将两个数相减可以比较它们的大小。

左右移位是运算器的基本操作。在有符号的数中，符号不动而只移数据位，称为算术移位。若数据连同符号的所有位一齐移动，称为逻辑移位。若将数据的最高位与最低位链接进行逻辑移位，称为循环移位。

运算器的逻辑操作可将两个数据按位进行与、或、异或，以及将一个数据的各位求非。有的运算器还能进行二值代码的16种逻辑操作。

乘、除法操作较为复杂。很多计算机的运算器能直接完成这些操作。乘法操作是以加法操作为基础的，由乘数的一位或几位译码控制逐次产生部分积，部分积相加得乘积。除法则又常以乘法为基础，即选定若干因子乘以除数，使它近似为1，这些因子乘被除数则得商。没有执行乘法、除法硬件的计算机可用程序实现乘、除，但速度慢得多。有的运算器还能执行在一批数中寻求最大数，对一批数据连续执行同一种操作，求平方根等复杂操作。

运算方法 实现运算器的操作，特别是四则运算，必须选择合理的运算方法。它直接影响运算器的性能，也关系到运算器的结构和成本。另外，在进行数值计算时，结果的有效数位可能较长，必须截取一定的有效数位，由此而产生最低有效数位的舍入问题。选用的舍入规则也影响到计算结果的精确度。

结构 运算器包括寄存器、执行部件和控制电路3个部分。

在典型的运算器中有3个寄存器：接收并保存一个操作数的接收寄存器；保存另一个操作数和运算结果的累加寄存器；在进行乘、除运算时保存乘数或商数的乘商寄存器。执行部件包括一个加法器和各种类型的输入输出门电路。控制电路按照一定的时间顺序发出不同的控制信号，使数据经过相应的门电路进入寄存器或加法器，完成规定的操作。

为了减少对存储器的访问，很多计算机的运算器设有较多的寄存器，存放中间计算结果，以便在后面的运算中直接用作操作数。

为了提高运算速度，某些大型计算机有多个运算器。它们可以是不同类型的运算器，如定点加法器、浮点加法器、乘法器等，也可以是相同类型的运算器。

运算器

由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作 ，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的所以它是执行部件。

主要功能：

执行所有的算术运算；�

执行所有的逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。
运算器：是进行运算的部件，主要功能是算术运算和逻辑运算。

控制器

controller

按预定目的产生控制信息的仪器或成套装置。自动控制系统实现控制的核心部分。控制器在闭环控制系统中接受来自受控对象的测量信号，按照一定的控制规律产生控制信号推动执行器工作，完成闭环控制，称为调节器；用于开环控制系统的控制器称为顺序控制器，它按照预定的时间顺序或逻辑条件顺序推动执行器实现开环控制。控制器按所用信号形式分为模拟调节器和数字控制器。数字控制器又分为顺序控制器和数字调节器。人们还把手动控制机构称为控制器 。控制器的应用不仅限于生产过程，在日常生活中也广泛应用控制器，如霓虹灯的时序开关、洗衣机和电风扇的定时器等，都属于顺序控制器。

控制器

由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

主要功能：

从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中位置

对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作；

指挥并控制CPU、内存和输入/输出设备之间数据流动的方向。
控制器：根据事先给定的命令发出控制信息，使整个电脑指令执行过程一步一步地进行，是计算机的神经中枢。

Answer 2

运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。算术逻辑运算单元（ALU）的基本功能为加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、求补等操作。计算机运行时，运算器的操作和操作种类由控制器决定。运算器处理的数据来自存储器；处理后的结果数据通常送回存储器，或暂时寄存在运算器中。

控制器按预定目的产生控制信息的仪器或成套装置。自动控制系统实现控制的核心部分。控制器在闭环控制系统中接受来自受控对象的测量信号，按照一定的控制规律产生控制信号推动执行器工作，完成闭环控制，称为调节器；用于开环控制系统的控制器称为顺序控制器，它按照预定的时间顺序或逻辑条件顺序推动执行器实现开环控制。控制器按所用信号形式分为模拟调节器和数字控制器。数字控制器又分为顺序控制器和数字调节器。

控制器是指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件，是计算机的神经中枢和指挥中心，由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序计数器PC（ProgramCounter）和操作控制器0C（OperationController）三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。
指令寄存器：用以保存当前执行或即将执行的指令的一种寄存器。指令内包含有确定操作类型的操作码和指出操作数来源或去向的地址。指令长度随不同计算机而异，指令寄存器的长度也随之而异。计算机的所有操作都是通过分析存放在指令寄存器中的指令后再执行的。指令寄存器的输人端接收来自存储器的指令，指令寄存器的输出端分为两部分。操作码部分送到译码电路进行分析，指出本指令该执行何种类型的操作;地址部分送到地址加法器生成有效地址后再送到存储器，作为取数或存数的地址。
存储器可以指主存、高速缓存或寄存器栈等用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据寄存器（DR）中，然后再传送至IR。指令划分为操作码和地址码字段，由二进制数字组成。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。指令译码器就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。
程序计数器：指明程序中下一次要执行的指令地址的一种计数器，又称指令计数器。它兼有指令地址寄存器和计数器的功能。当一条指令执行完毕的时候，程序计数器作为指令地址寄存器，其内容必须已经改变成下一条指令的地址，从而使程序得以持续运行。本回答被网友采纳