1.7 CPU 中央处理器（The Central Processing Unit）

1.7.1 组成概述

CPU

CPU （Central Processing Unit，中央处理单元）是负责通过「指令」指示程序如何操作的器件，其通常由寄存器、控制单元、ALU、时钟等组成。

比如，若要执行加/减的数学指令，则交由 ALU 完成；若是内存指令，则与 RAM 通信配合进行读写操作（APU 与 RAM 用“地址线”、“数据线”和“允许读/写线”进行通信）。

微体系框架

使用高层次的视角观察计算机的方式称为「微体系架构」（microarchitecture），其更注重于逻辑上的「功能」。比如当我们用一条线连接 2 个组件时，这条线只是所有必须线路的抽象，并不代表两者连接仅仅通过一条线。

指令

指令由「操作码」（operation code, opcode）和「地址码」组成，前者用于说明操作指令的 ID，后者则表示数据来自哪里（寄存器或内存地址）。指令用于指示计算机要做什么，多条指令共同组成程序。

寄存器

CPU 的控制单元中至少有 两个寄存器，一个「指令地址寄存器」（the instruction address register）用于存放当前指令的内存地址，另一个是「指令寄存器」（the instruction register）用于存储当前指令。

另外还有一些寄存器用于临时存储数据和操作数据（如图中的 ABCD，其与 RAM 相连），寄存器也用于存储程序。

时钟

时钟（Clock）负责管理 CPU 运行的节奏，以精确地间隔触发电信号，控制单元用这个信号来推动 CPU 的内部操作。

时钟速度（Clock Speed）是指 CPU 执行“取指令 -> 解码 -> 执行”中每一步的速度，单位为赫兹 Hz （频率单位，1Hz 表示 1 秒 1 个周期）。1MHz 为 1 秒 100w 个时钟周期，如今的电脑或是手机的时钟速度在千兆级别（1 秒 10 亿次时钟周期）。

超频（overclocking）/ 降频（underclocking）是指修改时钟速度，加快或降低 CPU 的速度。超频过多会让 CPU 过热或产生乱码，降频可以省电，对笔记本和手机很重要，通常会动态调整。

1971 年发布的 4 位 CPU Intel 4004 是第一个单芯片 CPU，其微体系架构（microarchitecture）类似与上述所言，其时钟频率达到 740k Hz（每秒 74 万次）。

1.7.2 CPU 基本工作原理

CPU 的运作分为三个阶段：取指令（fetch phase）、解码（decode phase）、执行（execute phase）。

取指令

（1）指令地址寄存器发地址给 RAM

（2）RAM 发该地址内的数据给指令寄存器

（3）指令寄存器接受数据

解码

指令寄存器根据数据发送指令给控制单元 -> 控制单元解码（使用逻辑门来确认操作码是否为某个指令，示例为 0010-LOAD A、地址 1110-14）

执行

📌e.g. LOAD A(取数)：

（1）使用确认指令（LOAD A）的电路打开寄存器 A 的允许写入线，将从 RAM 读取到的数据存入 A。

（2）指令地址寄存器 +1，继续执行下一指令。

📌e.g. ADD(加法)

操作码 1000 0100 在解码阶段会被解出，1000 指 ADD 相加，则相应的后 4 位会被解释为名为 01 和 00 的两个寄存器地址，分别为寄存器 B 和寄存器 A -> 把寄存器 B 的值加入寄存器 A 中。

（1）调用 ALU，控制单元将寄存器 B 作为 ALU 的第一个输入，将寄存器 A 作为 ALU 的第二个输入，同时传入 ADD 操作码进入 ALU。

（2）ALU 计算完成后将结果暂存于控制单元中的寄存器中，若 ALU 直接将结果存于寄存器 A 中，则会出现不断自加的情况。

（3）控制单元关闭 ALU 后， 将暂存在内部寄存器中的计算结果放入寄存器 A 中。

（4）指令地址寄存器 +1。

📌e.g. STORE(存数)

操作码 0100 1101 在解码阶段会被解出，0100 为 STORE A，1101 是 RAM 地址 13。

（1）打开寄存器 A 的允许读取线，将读取到的数据存入 RAM 。

（2）程序结束，HALT 停止。