【学习笔记】

经过人类不断的努力，通过基本的逻辑门电路，一步步地做出了一个 8 位(bits) ALU，甚至比 Intel 74181 还要强大，Intel 74181 只是一个 4 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。但无论如何，再复杂的 ALU 也是芯片工程师像我们这样，一层又一层，一步又一步地将其抽象出来的。ALU 是第一次将人类历史上的数学和逻辑学学科有机地结合起来，可以视为人类智慧发展的现代巅峰。 三个输入： A:要参与运算的第一个数 B:要参与运算的第二个数 C:本次的运算时什么opcode 输出：正常输出

光有 ALU 还是远远不够的，我们无法为 ALU 提供存储的部件，所以接来下，我们利用门电路简单说明下存储的制作。注意，虽然图中没有明显的表示出来，但这些存储都是要求必须保持通电状态的，也就是这些存储都是易失的（volatile）。 中间我们隐藏了一些实现细节，最后的效果就是：使能线置位时，输入为 1，保存 1；输入为 0，保存 0。使能线不置位时，则写入无效。我们可以利用门锁，构建我们需要的寄存器和内存。 内存的构建要比这个复杂一点，但基本原理一致。如此构建的内存被称为RAM(Random Access Memory)，可以支持 O(1) 时间复杂度访问任意位置的数据，这也就是我们数组下标访问操作是 O(1) 的硬件支持。

我们现在有 ALU、存储了，但这还是不足以让我们的计算机工作起来，我们需要有一个部件来指挥 ALU 进行何种的运算，而这个部件就是控制单元(CU)。

首先，我们先介绍下我们需要到的指令(instruction)。所谓指令，即指导 CPU 进行工作的命令，主要有操作码 + 被操作数组成。其中操作码用来表示要做什么动作，被操作数是本条指令要操作的数据，可能是内存地址，也可能是寄存器编号等。指令本身也是一个数字，用二进制形式保存在内存的某个区域中。

画图理解：

计算机之所以能自动地工作，是因为在CPU内控制器的控制下，可以从存放程序的内存中自动地取出一条指令并且执行。若指令的解释采用顺序解释方式，则各条机器指令之间顺序串行地解释，即执行完一条指令后 才开始取下一条指令，再执行这条指令，如此周而复始，构成了一个封闭的循环。除非遇到停机指令，否则这个循环将一直继续下去。顺序解释方式的优点是控制简单，缺点是速度慢，各部件的利用率低。若指令的解释采用流水解释方式，则在解释完当前指令之前，就可开始下一条指令的解释。流水解释方式的优缺点与顺序解释方式正好相反。

CPU每次送出访存地址，从内存中取出一条指令并且执行完这条指令都需要完成一系列的操作，这一系列的操作所需的时间通常叫做一个指令周期。更简单地说，指令周期是指从CPU送出指令地址到取出本条指令并执行完毕所花的时间。指令周期包括取指周期和执行周期两部分。我们把取出一条指令所花的时间称为取指周期，而执行一条指令所花的时间称为执行周期。对于相同的CPU结构，不同指令的取指过程都是相间的，都需要一个访问周期。

理解：

总的来说，CPU的正常工作流程为取码、编码、执行周期，不断往返，只要电脑处于开机状态下，CPU就会不停循环这个周期。在硬件CPU的视角中，只有指令的概念，没有指令属于谁的概念。CPU运算的快慢，看CPU执行指令周期的频率。