计算机原理（CPU是如何进行工作的？）

目录

 程序 = 指令 +数据

CPU的基本组成原理

① 逻辑门

1.电子开关 —— 机械继电器(Mechanical Relay)

2.门电路(Gate Circuit)

 ②.算术逻辑单元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）

①算术单元(Arithmetic Unit)

②逻辑单元(Logic Unit)

 ③ALU 符号

⑤控制单元 CU(Control Unit)  

CPU 的基本工作流程 

1.取码阶段

2.解码阶段

3.执行阶段

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现代的计算机, 大多遵守 冯诺依曼体系结构。因此冯诺依曼体系结构的讲解是十分重要的。

 在 冯诺依曼体系结构中 ， 

· CPU 中央处理器 : 进行算术运算和逻辑判断.由 运算器 加 控制器构成

·存储器 : 分为外存和内存 , 用于存储数据 ( 使用二进制方式存储 )

·输入设备 : 用户给计算机发号施令的设备 .

·输出设备 : 计算机个用户汇报结果的设备 .

针对存储空间

硬盘 > 内存 >> CPU

针对数据访问速度

CPU >> 内存 > 硬盘

 程序 = 指令 +数据

      在冯诺依曼体系中 ， 指令（一组预规定的动作）和数据都表现为一种特殊的数据，都需要存储在内存中，而内存是由电子元件组装而成 ， 以二进制形式来存储文件。

因此：

    指令需要利用编码表规定来转换为操作码（opcode），才能存储在内存中。

    广义数据又分为 数据与非数的数据（例如：音乐，图片，字符串...）。

  ①数据在内存中的存储，有限范围内的整数表示：正码，反码，补码。

                                         有限范围的小数表示 ： IE标准。

  ②在计算机中进行”非数数据”的存储，则需要把非数数据通过 各种编码表 ——> 数类型数据。

          编码表：  字符串 -> 字符   Unicode 编码

                                            图片       RGB编码     .........

 所有程序的执行，本质上都是计算 + 读取 + 存入。

 读取： 内存（ memory ）     ->     寄存器 （register）

 存入 ： 寄存器 （register ）  ->   内存（ memory ）

 

CPU的基本组成原理

（1） 逻辑算数运算器 ： 与 、或、 非、加、减、乘、除、取余

  （2） 控制器 ：①  寄存器 （register）：临时存储数据的存储单元（每个都只能保存一个整型数、但是不止一个）

                         ②现代的高级CPU为了提升性能 ，一般都带有缓存（CPU内的缓存）缓存会划分等级  L1/L2/L3缓存

① 逻辑门

1.电子开关 —— 机械继电器(Mechanical Relay)

  在发展过程中 ， 逐渐由 机械继电器 ——>  真空管 ——> 晶体管  （具体工作原理可以通过数字电路技术来了解）。

2.门电路(Gate Circuit)

非门、 与门、或门、异或门 ..   (具体原理可以通过学习数电来了解)

  

 

 ②.算术逻辑单元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）

    ALU 是计算机中进行算数、逻辑运算的核心部件，是cpu的核心，是计算机的数学大脑。接下来，我用上一节构建的 逻辑门来完成自己的一个 ALU ，去学习理解它的工作模式，以便作为我们进一步理解现代计算机工作原 理的基石。

  算数：加法、减法、乘法、除法、取余

  逻辑： 与、或、非

 

①算术单元(Arithmetic Unit)

  算数单元，负责计算机里的所有数字操作，比如四则运算，当然它能做的远远不止这些。

 大家通过图片来感受一下一个8位（bits）的加法器（adder）的实现过程。

    

     半加器：通过一个异或门与与门来构成

 

全加器：通过两个半加器 和一个或门

 

    8位数加法器：七个全加器 与一个半加器构成

  

②逻辑单元(Logic Unit)

    逻辑单元主要用来进行逻辑操作，最基本的操作就是 与、或、非操作，但不只是一位 (bit) 数的比较。

 ③ALU 符号

     通过图解，我们了解到通过基本的逻辑门电路，可以做出了一个 8 位 (bits) ALU。

 当然现代的计算机中的 ALU 部件非常强 大，复杂度远远超过了我们的想象，32 位 甚至 64 位基本已经普及全球了。

⑤控制单元 CU(Control Unit)  

CU 可以驱动 ALU 进行具体 的计算工作，

CPU 的基本工作流程 

cpu 就是在不停的执行着 取码 -> 解码 - >执行的过程。

1.取码阶段

CU 根据寄存器的值 ，去内存的响应位置，把数据（指令） 读取到IR寄存器中 

一般正常情况下 PC寄存器中的值自动 +1

2.解码阶段

CU 按照预先的指令集 解读指令数据（opcode + 操作数）

例如： 0010  1110

  人为规定 ： 0010  是 opcode 

查询指令表： 知道 0010 代表的意思： 从后边地址指定内存处，将数据读取到 A寄存器

地址： 0b1110  ->14

3.执行阶段

LOAD 指令 应该由CU执行 ，所以按照规定执行指令：

从内存的14地址处，将数据读取到A寄存器中。