4.3　中央处理器

中央处理器（CPU）是计算机中进行实际计算的部分。按照我们的比喻，CPU住在市中心，城市里其他成员都是配角。CPU由许多不同的部分组成，我们将在本节介绍这些部分。

4.3.1　算术逻辑单元

算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit, ALU）是CPU的主要部件之一。它负责算术、布尔代数和其他运算。图4-7展示了ALU的简单结构。

操作数只是可以表示数字的位。操作码是一个数字，它告诉ALU要将哪个运算符应用于操作数。当然，结果就是我们对操作数应用运算符时得到的结果。

条件码包含与结果有关的额外信息。它们通常存储在条件码寄存器中。我们在第3章中提到过寄存器，它只是一个特殊的内存片段，与其他内存不同，它住在另一个“街道”上，那条街上有昂贵的定制住宅。典型条件码寄存器如图4-8所示。方框顶部的数字是位编号，可以很方便地指示位。注意有些位没有使用，这种情况并不罕见。

如果最后一个操作的结果是负数，则N位被设置为1。如果最后一个操作的结果为0，则Z位被设置为1。如果最后一个操作的结果造成了溢出或下溢，O位被设置为1。

表4-1展示了ALU的具体功能。

ALU可能看起来很神秘，但实际上它只是一些选择器中的逻辑门。图4-9展示了ALU的总体设计，为了简单起见省略了一些复杂的功能。

4.3.2　移位寄存器

你可能已经注意到表4-1中的移位操作。左移使每一位向左移动一个位置，丢弃最左边的位，最右边的空位置移入一个0。如果把01101001（10510）左移一位，将得到11010010（21010）。这是非常方便的，因为把一个数字左移一个位后得到的数，就是把它乘以2后的数。

右移使每一位向右移动一个位置，丢弃最右边的位并将0移到最左边的空位置。如果把01101001（10510）右移1位，将得到00110100（5210）。右移一位的结果是将这个数除以2并去掉它的余数。

经常需要左移时会丢失MSB（最高有效位）值，经常需要右移时会丢失LSB（最低有效位）值，因此MSB值和LSB值保存在条件码寄存器中。我们假设CPU把这些保存在O位。

你可能已经注意到，除这些移位指令之外，ALU中的所有内容看起来都可以用组合逻辑实现。你可以用触发器来构建移位寄存器，其中的内容每计算机时钟移位一位。

顺序移位寄存器（如图4-10所示）速度很慢，在最坏的情况下它移动每位需要一个计算机时钟。

我们可以通过使用逻辑构件之一的选择器（参见图2-47）完全用组合逻辑构造桶式移位器来解决这个问题。要构建一个8位移位器，我们需要8个8:1选择器。

每个位要有一个选择器，如图4-11所示。

右移量由S0-2提供。可以看到，在没有移位的情况下（S为000），输入位0（I0）被传递到输出位0（O0），I1传递到O1，以此类推。当S为001时，输出右移1位，因为这是输入连接到选择器的方式。当S为010时，输出右移2位，以此类推。换言之，我们有8种可能的连接方式，但只需选择一种我们想要的。

你可能会好奇为什么我一直在展示这些逻辑图。在集成电路设计系统中，类似门、多路输出选择器、多路选择器、加法器、锁存器等功能都是预先定义好的。它们的用法和旧的元件类似，只是不用把第2章提到的7400系列零件粘在电路板上，而是用设计软件把类似的元件组装成一个芯片。

你可能已经注意到我们的简单ALU中没有乘法和除法运算。那是因为乘法和除法要复杂得多，而且不能向我们展示我们还没有看到过的东西。乘法可以通过重复加法来完成，也可以通过级联桶式移位器和加法器来构建组合乘法器，但请记住左移会将数字乘以2。

移位器是实现浮点运算的一个关键元素，指数用于移动尾数以对齐二进制点，以便它们可以相加、相减等。

4.3.3　执行单元

计算机的执行单元，也称为控制单元，是计算机里的指挥中心。ALU自身并不能发挥作用，需要有指令指示它应该怎么做。执行单元从内存中正确的位置获取操作码和操作数，告诉ALU要执行哪些操作，并将结果放回内存中。希望它能以某种有用的方式完成所有这些工作。

执行单元如何做到？我们给它一个指令列表，比如“将位置10的数字与位置12的数字相加，并将结果放入位置14。”执行单元在哪里找到这些指令？在内存里！这种形式的计算机在技术上称为存储程序计算机。它起源于英国奇才艾伦·图灵（Alan Turing）（1912—1954）的作品。

是的，我们还有另一种方法来看待和解释位。指令是指示计算机做什么的位型。位型是特定CPU设计的一部分，它们不像数字那样是一些通用的标准，所以Intel Core i7 CPU对于inc A指令的位型可能与ARM Cortex-A CPU的不同。

执行单元如何知道在内存中何处查找指令？执行单元使用一个程序计数器（Program Counter, PC），它有点像邮递员，或者像一个标有“你在这里”的大箭头。如图4-12所示，程序计数器是一个寄存器，是特殊“街道”上的一块内存。程序计数器是由一个计数器（见3.1.6节）而非一个普通寄存器（见3.1.7节）构造的。你可以将它视为具有额外计数功能的寄存器。

程序计数器包含一个内存地址。换句话说，它会指向或引用内存中的一个位置。执行单元从程序计数器引用的位置获取指令。有些特殊的指令可以改变程序计数器的值。除非正在执行某个指令，否则在指令执行完毕后程序计数器值将递增（即将一条指令的大小加到其中），以便下一条指令从下一个内存位置中产生。请注意，当电源打开时，CPU有一些初始程序计数器值，通常为0。我们在图3-17中看到的计数器具有支持所有这些功能的输入。

这一切就像寻宝一样。计算机进入内存中的某个位置并找到一个“纸条”。计算机读取那张“纸条”后，会被“纸条”告知该做些什么，然后到其他地方去拿下一张“纸条”，以此类推。