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# 07 中央处理器
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<author name="胡杰" title="20 实验 2 班 "/>
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<author name="虞嘉乐" title="21 计算机 4 班 "/>
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:::tip
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[前去观看第七集](https://bilibili.com/BV1EW411u7th?p=7)
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## 计算机的心脏 —— 中央处理单元，简称「CPU」
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CPU 负责执行 **程序**，例如 Office，浏览器，游戏《半条命 2》
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程序由一个个操作组成，这些操作叫做**「指令（Instruction）」**，指令用来告诉计算机要做什么。
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## CPU 的组成
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中央处理单元 —— CPU，计算机的心脏，由 **ALU**(**算术逻辑单元**)、**寄存器** 和 **RAM**(**随机存取存储器**) 组合在一起。
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## 指令
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CPU 负责执行程序，而程序是由 **指令** 组成的，指令负责指示计算机做什么。
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打个比方，如果是数学指令(比如加减乘除)，CPU 会让 ALU 进行数学计算。如果是内存指令，CPU 会和内存通信，然后读/写值。
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## CPU 的搭建与指令的三个阶段
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CPU 有很多的组件，但这次的重点放在功能，而不是线具体怎么连。所以接下来，当我们用一条线连接两个组件的时候，这条线只是必须线路的一个表现形式。
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那么，接下来就让我们正式的开始搭建吧。
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首先，我们需要一些内存，把上一篇做的 RAM 拿来就可以了。为了保持简单，我们假设它只有 16 个位置，每位置有 8 位。之后再来 4 个 8 位的寄存器 A、B、C、D 用来 **临时存数据** 和 **操作数据**。
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我们可以给 CPU 支持的所有指令一个 ID。在下图假设的例子中，我们用前四位存操作码，后四位数据则来自地址或寄存器。所以我们还需要俩个寄存器来完成 CPU.一个寄存器存当前指令的内存地址，叫 **指令地址寄存器**，另一个存当前指令，叫 **指令寄存器**。
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### 指令的第一个阶段 —— 取指令
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当我们启动计算机时，所有的寄存器从 0 开始，为了更好理解，我们过一遍在 RAM 内放的一个程序。
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首先，将指令地址寄存器连到 RAM，因为寄存器的值为 0，因此 RAM 返回地址 0 的值，也就是 0010 1110。
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0010 1110 被复制到了指令寄存器里。现在，指令拿到了，应该去处理它了，这就是 CPU 的第二个阶段 —— **解码阶段**。
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### 指令的第二个阶段 —— 解码
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指令寄存器中，前 4 位 0010 是 LOAD_A 的指令，意思是把 RAM 的值放入寄存器 A 中。
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后四位 1110 是 RAM 的地址，转换成十进制是 14.
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接下来，指令由**控制单元**来解码。就像之前的所有东西一样，控制单元也是由逻辑门组成（忘记逻辑门是什么的，罚你再去看一遍[第三课](https://book.hyyz.izhai.net/cs/boolean-and-logic-gates/)）.
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比如，为了识别 LOAD_A 的指令，我们需要一个电路，检查操作码是不是 0010，我们可以用很少的逻辑门来实现。
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好了，现在已经知道了什么是指令，接下来就让我们开始执行指令。
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### 指令的第三个阶段 —— 执行
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用检查是否是 LOAD_A 的电路打开 RAM 的 **允许读取线**，把地址 14 传过去，RAM 拿到了值 0000 0011，也就是十进制 3。因为我们用到的是 LOAD_A 的指令，所以我们只把这个值存在寄存器 A，其他寄存器不受影响，所以我们要用一根线，把 RAM 连到 4 个寄存器，用电路启用寄存器 A 的 **允许写入线**，这样我们就把 RAM 地址 14 的值让在了寄存器 A 中.既然指令完成了，我们可以关掉所有线路，去拿下一个指令了。我们把指令地址寄存器加 1，执行阶段就此结束
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### 一个小总结
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LOAD_A 只是 CPU 可执行的指令中的其中一个，不同的指令有不同的逻辑电路解码，这些逻辑电路会配置 CPU 内的组件来执行对应操作，而具体分析太过繁琐，所以有把控制单元包成一个整体，这样更加简洁。
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## 第 3 个指令：1000 0100
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第 2 个指令与第 1 个指令大同小异，只要按部就班的走就能完成一次循环。但 RAM 的第 3 个指令和第 4 个指令与前两个稍有区别。
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第三个指令(ADD)的后 4 位不是 RAM 地址，而是 2 个(数量) 2 位 (单位) 分别代表 2 个寄存器。
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第一个地址是 01，代表寄存器 B，第二个是 00，代表寄存器 A，因此，1000 0100 代表着把 B 的值加到 A 里，为了执行，我们用到了 ALU（忘了的，罚你去看[第 5 课](https://book.hyyz.izhai.net/cs/how-computers-calculate-the-alu/)）。
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在 ADD 指令中，先启用寄存器 B 作为 ALU 的第一个输入，然后 A 做第二个输入。之后，控制单元传递 ADD 操作码告诉 ALU 要做什么。最后的结果应当在寄存器 A 中，但不能直接放入，这回当值新值进入 ALU，不断和自己相加，所以控制单元会用自己的一个寄存器暂时保存结果，关闭 ALU 后再写入正确的寄存器中。当然了，最后还是要把指令地址加一，这样又就完成了一个循环
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## 最后一个指令：0100 1101
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这个指令是 STORE_A 指令(把寄存器 A 的值放入内存)，它的后四位是 RAM 地址，但要做的不是允许读取，而是允许写入，同时打开寄存器 A 的允许读取，将 A 的值纯给 RAM。
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至此，我们运行了第一个电脑程序，恭喜！
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## 时钟
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**时钟**，是负责管理 CPU 节奏的，它以一定的间隔发电信号，控制单元会用这个信号推进 CPU 的内部操作。当然了，节奏不能太快，因为就算是电也要一定时间来传输。
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## 时钟速度
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每一次指令走完三个阶段的速度叫**时钟速度**，单位是赫兹，表示频率的单位，一赫兹代表一秒一个周期。如今的处理器已经达到了几千兆赫兹。
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## 超频
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超频即使修改时钟速度，加快 CPU 的速度，但注意，超频太多会让 CPU 过热或产生乱码，因为信号跟不上时钟。
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## 降频
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当然了，既然有超频，自然有降频。降频一般用在跑新能要求较低的程序或者人已经离开时，降频能够更加省电。
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为了尽可能省电，现在的处理器可以按需求加快或减慢时钟速度，这叫做动态调整频率
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最后，让我们把时钟加入到我们组成的 CPU 中，这样我们的 CPU 就完整啦！现在可以放到盒子里，拿出去和你的朋友大肆炫耀了！
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## 接下来
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下一课，我们要加强 CPU，给它拓展更多的指令，同时开始讲软件。
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