7. 中央處理器-The Central Processing Unit(CPU)

一、cpu介紹

計算機的心臟"中央處理單元"，簡稱 "CPU"。
CPU 負責執行程序，程序由一個個操做（又叫指令，指示"計算機要作什麼）組成。
若是是數學指令，好比加/減，CPU 會讓 ALU 進行數學運算，也多是內存指令，CPU 會和內存通訊，而後讀/寫值。

二、製做cpu

2.1 組件

• 1個RAM ：假設它只有 16 個位置，每一個位置存 8 位。
• 四個8位寄存器：A，B，C，D。用來 臨時存數據 和 操做數據。
• 一張指令表：程序也能夠以二進制存在內存裏的，因此可給 CPU 支持的全部指令，分配一個 ID。
• 一個"指令地址寄存器"，蹤程序運行到哪裏了。（存當前指令的內存地址）
• 一個指令寄存器，存當前指令。
• 控制單元：用於解碼
• 時鐘：用於管理 CPU 的節奏。

2.2 解析CPU執行程序的過程
如下爲須要執行的四條指令

2.2.1 執行第一條指令 LOAD_A
（1）當啓動計算機時，全部寄存器從 0 開始。

（2）進入第一階段"取指令階段"（fetch phase），負責拿到指令。
首先，將 "指令地址寄存器" 連到 RAM，寄存器的值爲 0，所以 RAM 返回地址 0 的值。

而後，0010 1110 會複製到 "指令寄存器" 裏。

(3) "解碼階段"
指令拿到了，要弄清是什麼指令，才能執行，即 "解碼階段"。

8位的指令：用前四位存 "操做代碼"，簡稱 "操做碼" （opcode）對應指令表中的指令。後四位表明數據來自哪裏，能夠是寄存器或內存地址。

• 根據指令表，前 4 位 0010 是 LOAD_A 指令，意思是，把 RAM 的值放入寄存器 A。後 4 位 1110 是 RAM的地址, 轉成十進制是 14。
• 指令由 "控制單元" 進行解碼。 "控制單元" 也是邏輯門組成的。

(4) "執行階段"
知道了是什麼指令，開始 "執行階段"。
步1：取值。用 "控制單元"打開 RAM 的 "容許讀取線", 把地址 14 傳過去，從RAM的地址14中拿到值0000 0011，十進制的 3。

步二：存值。根據 LOAD_A 指令的要求 ， 要把取到的值只放到寄存器 A，其餘寄存器不受影響，因此使用一根線，把 RAM 連到 4 個寄存器。
步三：用 "控制單元" 啓用寄存器 A 的 "容許寫入線"。
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，"執行階段"就此結束。把 "指令地址寄存器"+1，去拿下一條指令並解碼執行。

總結：控制單元的抽象
LOAD_A 只是 CPU 能夠執行的各類指令之一，不一樣指令由不一樣邏輯電路（控制單元）解碼。
能夠將"控制單元 "包成一個總體。
控制單元就像管絃樂隊的指揮，"指揮" CPU 的全部組件"取指令→解碼→執行" 。會配置 CPU 內的組件來執行對應操做。

2.2.2 執行 ADD指令 "1000 0100"

(1) 指令解析：
1000 是 ADD 指令，後面的 4 位不是 RAM 地址，而是表明 2 個寄存器，第一個地址是 01, 表明寄存器B,第二個地址是 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 裏。

(2) "控制單元"的做用

• 啓用寄存器B做爲做爲 ALU 的第一個輸入。啓用寄存器 A，做爲 ALU 的第二個輸入。
• 傳遞 ADD 操做碼告訴ALU 能夠執行ADD操做 （由於ALU能夠執行多種操做）
• 控制單元用一個本身的寄存器暫時保存結果（由於結果應該存到寄存器 A，但不能直接寫入寄存器 A，這樣新值會進入 ALU ，不斷和本身相加）。關閉 ALU以後，再把值寫入寄存器A。

(3) 把指令地址 + 1，執行下一條指令。

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

(2) 執行

• 把地址13傳給 RAM，
• 打開RAM的"容許寫入"，同時打開寄存器 A 的 "容許讀取"，把寄存器 A 裏的值，傳給 RAM。

2.2.4時鐘
在執行以上四條指令的時候，咱們人工切換 CPU 的狀態 "取指令→解碼→執行"，但實際上電腦用 "時鐘" 來負責管理 CPU 的節奏。

(1) 時鐘的做用
時鐘以精確的間隔觸發電信號，控制單元會用這個信號，推動 CPU 的內部操做，確保一切按步驟進行。

(2) "時鐘速度"
"時鐘速度"指 CPU "取指令→解碼→執行" 的速度 。單位是赫茲 ，
1hz/s表明一秒 1 個週期，

三、CPU

(1) CPU抽象
RAM是在 CPU 外面的獨立組件，CPU 和 RAM 之間 用 "地址線" "數據線" 和 "容許讀/寫線" 進行通訊。

(2) "英特爾 4004"
第一個單芯片 CPU 是 "英特爾 4004" ，1971 年發佈的 4 位CPU，它的微架構 很像咱們以前說的 CPU，它的時鐘速度達到了 740 千赫茲 - 每秒 74 萬次。
如今看視頻的電腦或手機，可能有幾千兆赫茲， 1 秒 10 億次時鐘週期。

(3) 優化

• 超頻：計算機超頻，意思是修改時鐘速度，加快 CPU 的速度。芯片製造商常常給 CPU 留一點餘地，能夠接受一點超頻。但超頻太多會讓 CPU
  過熱，或產生亂碼，由於信號跟不上時鐘。
• 降頻：有時不必讓處理器全速運行，可能用戶走開了，或者在跑一個性能要求較低的程序，把 CPU 的速度降下來，能夠省不少電。
• 動態調整頻率：不少現代處理器能夠按需求 加快或減慢時鐘速度。