7. 中央处理器-The Central Processing Unit(CPU)

一、cpu介绍

计算机的心脏"中央处理单元"，简称 "CPU"。
CPU 负责执行程序，程序由一个个操做（又叫指令，指示"计算机要作什么）组成。
若是是数学指令，好比加/减，CPU 会让 ALU 进行数学运算，也多是内存指令，CPU 会和内存通讯，而后读/写值。

二、制做cpu

2.1 组件

• 1个RAM ：假设它只有 16 个位置，每一个位置存 8 位。
• 四个8位寄存器：A，B，C，D。用来 临时存数据 和 操做数据。
• 一张指令表：程序也能够以二进制存在内存里的，因此可给 CPU 支持的全部指令，分配一个 ID。
• 一个"指令地址寄存器"，踪程序运行到哪里了。（存当前指令的内存地址）
• 一个指令寄存器，存当前指令。
• 控制单元：用于解码
• 时钟：用于管理 CPU 的节奏。

2.2 解析CPU执行程序的过程
如下为须要执行的四条指令

2.2.1 执行第一条指令 LOAD_A
（1）当启动计算机时，全部寄存器从 0 开始。

（2）进入第一阶段"取指令阶段"（fetch phase），负责拿到指令。
首先，将 "指令地址寄存器" 连到 RAM，寄存器的值为 0，所以 RAM 返回地址 0 的值。

而后，0010 1110 会复制到 "指令寄存器" 里。

(3) "解码阶段"
指令拿到了，要弄清是什么指令，才能执行，即 "解码阶段"。

8位的指令：用前四位存 "操做代码"，简称 "操做码" （opcode）对应指令表中的指令。后四位表明数据来自哪里，能够是寄存器或内存地址。

• 根据指令表，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。
• 指令由 "控制单元" 进行解码。 "控制单元" 也是逻辑门组成的。

(4) "执行阶段"
知道了是什么指令，开始 "执行阶段"。
步1：取值。用 "控制单元"打开 RAM 的 "容许读取线", 把地址 14 传过去，从RAM的地址14中拿到值0000 0011，十进制的 3。

步二：存值。根据 LOAD_A 指令的要求 ， 要把取到的值只放到寄存器 A，其余寄存器不受影响，因此使用一根线，把 RAM 连到 4 个寄存器。
步三：用 "控制单元" 启用寄存器 A 的 "容许写入线"。
步四:

成功把 RAM 地址 14 的值，放到了寄存器 A。

步五：LOAD_A 指令完成，"执行阶段"就此结束。把 "指令地址寄存器"+1，去拿下一条指令并解码执行。

总结：控制单元的抽象
LOAD_A 只是 CPU 能够执行的各类指令之一，不一样指令由不一样逻辑电路（控制单元）解码。
能够将"控制单元 "包成一个总体。
控制单元就像管弦乐队的指挥，"指挥" CPU 的全部组件"取指令→解码→执行" 。会配置 CPU 内的组件来执行对应操做。

2.2.2 执行 ADD指令 "1000 0100"

(1) 指令解析：
1000 是 ADD 指令，后面的 4 位不是 RAM 地址，而是表明 2 个寄存器，第一个地址是 01, 表明寄存器B,第二个地址是 00, 表明寄存器A。
所以，1000 0100，表明把寄存器 B 的值，加到寄存器 A 里。

(2) "控制单元"的做用

• 启用寄存器B做为做为 ALU 的第一个输入。启用寄存器 A，做为 ALU 的第二个输入。
• 传递 ADD 操做码告诉ALU 能够执行ADD操做 （由于ALU能够执行多种操做）
• 控制单元用一个本身的寄存器暂时保存结果（由于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 ，不断和本身相加）。关闭 ALU以后，再把值写入寄存器A。

(3) 把指令地址 + 1，执行下一条指令。

2.2.3 执行STORE A 指令 " 0100 1101"
(1) 解码
查看指令表，STORE A 指令是把寄存器 A 的值放入RAM，RAM 地址为13.

(2) 执行

• 把地址13传给 RAM，
• 打开RAM的"容许写入"，同时打开寄存器 A 的 "容许读取"，把寄存器 A 里的值，传给 RAM。

2.2.4时钟
在执行以上四条指令的时候，咱们人工切换 CPU 的状态 "取指令→解码→执行"，但实际上电脑用 "时钟" 来负责管理 CPU 的节奏。

(1) 时钟的做用
时钟以精确的间隔触发电信号，控制单元会用这个信号，推动 CPU 的内部操做，确保一切按步骤进行。

(2) "时钟速度"
"时钟速度"指 CPU "取指令→解码→执行" 的速度 。单位是赫兹 ，
1hz/s表明一秒 1 个周期，

三、CPU

(1) CPU抽象
RAM是在 CPU 外面的独立组件，CPU 和 RAM 之间 用 "地址线" "数据线" 和 "容许读/写线" 进行通讯。

(2) "英特尔 4004"
第一个单芯片 CPU 是 "英特尔 4004" ，1971 年发布的 4 位CPU，它的微架构 很像咱们以前说的 CPU，它的时钟速度达到了 740 千赫兹 - 每秒 74 万次。
如今看视频的电脑或手机，可能有几千兆赫兹， 1 秒 10 亿次时钟周期。

(3) 优化

• 超频：计算机超频，意思是修改时钟速度，加快 CPU 的速度。芯片制造商常常给 CPU 留一点余地，能够接受一点超频。但超频太多会让 CPU
  过热，或产生乱码，由于信号跟不上时钟。
• 降频：有时不必让处理器全速运行，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，能够省不少电。
• 动态调整频率：不少现代处理器能够按需求 加快或减慢时钟速度。