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中央处理器--CPU

• 提示下, 这节可能是最难的一小段
• 所以一旦你理解了，就会变得超厉害der~

回顾上两章节

1、我们已经做了一个算术逻辑单元(ALU)

输入二进制，它会执行计算

2、我们还做了两种内存：

寄存器: 很小的一块内存，能存一个值
之后我们增大做出了RAM

• 现在是时候把这些放在一起，组建计算机的"心脏"了
• 但这个 "心脏" 不会有任何包袱，比如人类情感.

开始组装

计算机的心脏是"中央处理单元"，简称 "CPU"

程序由一个个操作组成

• 如果是数学指令，比如加/减
• 也可能是内存指令，CPU 会和内存通信，然后读/写值

我们把重点放在功能，而不是一根根线具体怎么连

当我们用一条线连接两个组件时

• 这条线只是所有必须线路的一个抽象
• 这种高层次视角叫"微体系架构"

组装内存

好，我们首先要一些内存，把做的RAM拿来就行
1、为了保持简单，假设它只有16个位置，每个位置存8位
2、再来四个8位寄存器，叫 A，B，C，D
3、

我们已经知道数据, 是以二进制值存在内存里
程序也可以存在内存里
我们可以给CPU支持的所有指令，分配一个ID

内存启动程序演示(重点)

在这个假设的例子
我们用前四位存"操作代码"(operation code)
简称"操作码"(opcode)
后四位代表数据来自哪里

• 可以是寄存器或内存地址
  我们还需要两个寄存器，来完成CPU。

1、一个寄存器追踪程序运行到哪里了，我们叫它 "指令地址寄存器"
顾名思义，存当前指令的内存地址
2、另一个寄存器存当前指令，叫 "指令寄存器"

启动CPU

当启动计算机时，所有寄存器从0开始

1、首先，将"指令地址寄存器" 连到 RAM

1、寄存器值为0，因此RAM返回0的值

2、现在指令拿到了

要弄清是什么指令，才能执行(execute)
而不是杀死(kill)它

这是"解码阶段"

• 前 4位 0010是 LOAD A指令
  • 意思是, 把 RAM的值放入寄存器A
• 后 4位 1110是 RAM的地址, 转成十进制是14

3、接下来，指令由"控制单元"进行解码

就像之前的所有东西, "控制单元"也是逻辑门组成的

比如，为了识别"LOAD A"指令
需要一个电路, 检查操作码是不是0010

我们可以用很少的逻辑门来实现.
现在知道了是什么指令,就可以开始执行了

4、开始 "执行阶段"

• 用 "检查是否 LOAD_A 指令的电路"

打开 RAM 的 "允许读", 把地址 14 传过去

因为是 LOAD_A 指令
我们想把这个值只放到寄存器 A，其他寄存器不受影响
所以需要一根线，把RAM连到4个寄存器
用 "检查是否LOAD_A指令的电路"
启用寄存器A的"允许写入线"

5、关 闭

• 把 RAM地址14的值，放到了寄存器 A
  既然指令完成了，我们可以关掉所有线路
  去拿下一条指令

6、下一条指令

我们把 "指令地址寄存器"+1，"执行阶段"就此结束.

7、升级--封装过程

具体分析这些解码电路太繁琐了
既然已经看了1个例子，
干脆把"控制单元"包成一个整体，简洁一些.

控制单元就像管弦乐队的指挥

"指挥"CPU的所有组件

8、封装后--取指令

"指令地址寄存器" 现在的值是 1
所以 RAM返回地址 1里的值：0001 1111

9、封装后--解码

到"解码"阶段！
0001是LOAD B指令:

从RAM里把一个值复制到寄存器B
这次内存地址是1111，十进制的15

10、封装后--执行

现在到 "执行阶段"！
成功，我们把值0000 1110
也就是十进制的 14 存到了寄存器 B

11、封装后--计数

最后一件事是 "指令地址寄存器" +1
我们又完成了一个循环

12、下一条指令

1、取指令1000 0100，1000是ADD指令

这次后面的 4位不是 RAM地址，
而是 2位 2位分别代表 2个寄存器
2 位可以表示 4 个值
所以足够表示 4 个寄存器
第一个地址是 01, 代表寄存器B 第二个地址是 00, 代表寄存器A
因此，1000 0100，代表把寄存器B的值，加到寄存器A里

13、拿ALU进行封装

为了执行这个指令，我们要整合第 5 集的 ALU
"控制单元": 负责选择正确的寄存器作为输入
对于 "ADD" 指令， 启动B，作为ALU的第一输入
启动A，作为ALU的第二输入

寄存器

ALU可以执行不同操作

最后，结果应该存到寄存器A

• 但不能直接写入寄存器A
  • 这样新值会进入ALU ，不断和自己相加
  • 因此，控制单元用一个自己的寄存器暂时保存结果

关闭ALU，然后把值写入正确的寄存器
这里 3+14=17，二进制是0001 0001

现在存到了寄存器 A
最后, 指令地址 +1 (变成0000 0011)
完成

14、下一个指令

最后一个指令：0100 1101

解码得知是STORE A指令(把寄存器 A的值放入内存)
RAM地址13

接下来，把地址传给 RAM

但这次不是 "允许读取" ，而是 "允许写入"
同时，打开寄存器 A 的 "允许读取"
这样就可以把寄存器 A 里的值，传给RAM

恭喜，我们刚运行了第一个电脑程序！

它从内存中加载两个值，相加，然后把结果放回内存
刚刚是我一步步来讲的,
我们人工CPU的状态 "取指令→解码→执行"
但不是每台电脑里都有一个迷你 Carrie Anne
其实是 "时钟" 来负责管理CPU的节奏
时钟以精确的间隔，触发电信号

确保一切按步骤进行

• 就像罗马帆船的船头，有一个人负责按节奏的击鼓,
• 让所有划船的人同步... 就像节拍器一样
• 节奏不能太快
  因为就算是电也要一定时间来传输

CUP时钟

1赫兹代表一秒1个周期
因为我花了大概 6分钟，给你讲了 4条指令
所以我的时钟速度大概是 0.03赫兹
我承认我算数不快
但哪怕有人算数很快，最多也就是一秒一次，或 1赫兹

1971年发布的4位CPU

虽然是第一个单芯片的处理器
但它的时钟速度达到了740千赫兹 - 每秒74万次

你可能觉得很快
但和如今的处理器相比不值一提

一兆赫兹是 1秒 1百万个时钟周期
这可是1秒数10亿次时钟周期

超 频

你可能听过有人会把计算机超频 意思是修改时钟速度，加快CPU的速度

• 就像罗马帆船要撞另一艘船时，鼓手会加快敲鼓速度

芯片制造商经常给 CPU 留一点余地，可以接受一点超频

或产生乱码，因为信号跟不上时钟

降 频

你可能很少听说降频
但降频其实很有用

有时没必要让处理器全速运行
可能用户走开了，或者在跑一个性能要求较低的程序
把 CPU 的速度降下来，可以省很多电
省电对用电池的设备很重要，比如笔记本和手机
为了尽可能省电
很多现代处理器可以按需求, 加快或减慢时钟速度
这叫 "动态调整频率"

时钟封装

加上时钟后，CPU 才是完整的.
现在可以放到盒子里，变成一个独立组件

一层新的抽象(封装)！

看到这里，是否对电脑的内存、CPU有进一步了解？
去买电脑知道什么重要了吧...

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