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

1、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，程序由一个个操作（又叫指令，指示"计算机要做什么）组成。
如果是数学指令，比如加/减，CPU 会让 ALU 进行数学运算，也可能是内存指令，CPU 会和内存通信，然后读/写值。

2、制作cpu

2.1 组件

• 1个RAM ：假设它只有 16 个位置，每个位置存 8 位。
• 四个8位寄存器：A，B，C，D。用来 临时存数据 和 操作数据。
• 一张指令表：程序也可以以二进制存在内存里的，所以可给 CPU 支持的所有指令，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
以下为需要执行的四条指令

2.2.1 执行第一条指令 LOAD_A
（1）当启动计算机时，所有寄存器从 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，因此 RAM 返回地址 0 的值。

然后，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 "操作代码"，简称 "操作码" （opcode）对应指令表中的指令。后四位代表数据来自哪里，可以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 "允许读取线", 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，其他寄存器不受影响，所以使用一根线，把 RAM 连到 4 个寄存器。
步三：用 "控制单元" 启用寄存器 A 的 "允许写入线"。
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 可以执行的各种指令之一，不同指令由不同逻辑电路（控制单元）解码。
可以将"控制单元 "包成一个整体。
控制单元就像管弦乐队的指挥，"指挥" CPU 的所有组件"取指令→解码→执行" 。会配置 CPU 内的组件来执行对应操作。

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，而是代表 2 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。

(2) "控制单元"的作用

• 启用寄存器B作为作为 ALU 的第一个输入。启用寄存器 A，作为 ALU 的第二个输入。
• 传递 ADD 操作码告诉ALU 可以执行ADD操作 （因为ALU可以执行多种操作）
• 控制单元用一个自己的寄存器暂时保存结果（因为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）。关闭 ALU之后，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"允许写入"，同时打开寄存器 A 的 "允许读取"，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，我们人工切换 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) 时钟的作用
时钟以精确的间隔触发电信号，控制单元会用这个信号，推进 CPU 的内部操作，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代表一秒 1 个周期，

3、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 "允许读/写线" 进行通信。

(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 很像我们之前说的 CPU，它的时钟速度达到了 740 千赫兹 - 每秒 74 万次。
现在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。芯片制造商经常给 CPU 留一点余地，可以接受一点超频。但超频太多会让 CPU
  过热，或产生乱码，因为信号跟不上时钟。
• 降频：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。
• 动态调整频率：很多现代处理器可以按需求 加快或减慢时钟速度。