CPU处理程序的三个阶段

我们已经做了一个算术逻辑单元（ALU）输入二进制，它会执行计算。我们还做了两种内存： 寄存器 - 很小的一块内存，能存一个值 ，之后我们增大做出了 ，RAM 是一大块内存，能在不同地址存大量数字，现在是时候把这些放在一起，组建计算机的 "心脏" 了。但这个 "心脏" 不会有任何包袱，比如人类情感.。计算机的心脏是"中央处理单元"，简称 "CPU" 。CPU 负责执行程序，比如 Office，Safari 浏览器。程序由一个个操作组成 ，这些操作叫"指令"(Instruction) ，因为它们"指示"计算机要做什么，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，也可能是内存指令，CPU 会和内存通信，然后读/写值，CPU 里有很多组件。

所以我们一边说一边建 我们把重点放在功能，而不是一根根线具体怎么连，当我们用一条线连接两个组件时，这条线只是所有必须线路的一个抽象。这种高层次视角叫 "微体系架构" 。我们首先要一些内存，把上集做的 RAM 拿来就行。为了保持简单，假设它只有 16 个位置，每个位置存 8 位 ，再来四个 8 位寄存器，叫 A，B，C，D 寄存器用来 临时存数据 和 操作数据 ，我们已经知道数据 是以二进制值存在内存里 。程序也可以存在内存里 ，我们可以给 CPU 支持的所有指令，分配一个 ID 指令表 指令 描述 4位操作码 地址或寄存器 。在这个假设的例子，我们用前四位存 "操作代码" 简称 "操作码" （opcode） ，后四位代表数据来自哪里，可以是寄存器或内存地址。我们还需要两个寄存器，来完成 CPU。

1. 一个寄存器追踪程序运行到哪里了，我们叫它 "指令地址寄存器" 。顾名思义，存当前指令的内存地址 。
2. 另一个寄存器存当前指令，叫 "指令寄存器" 当启动计算机时，所有寄存器从 0 开始。

取指令阶段

为了举例，我们在 RAM 里放了一个程序，我们今天会过一遍 CPU 的第一个阶段叫 "取指令阶段" ，负责拿到指令，首先，将 "指令地址寄存器" 连到寄存器的值为 0，因此 RAM 返回地址 0 的值 0010 1110 会复制到 "指令寄存器" 里。

解码阶段

现在指令拿到了，要弄清是什么指令，才能执行（execute） 要弄清是什么指令，才能执行（execute）而不是杀死（kill）它 。这是 "解码阶段" 指令表 指令 描述 4位操作码 地址或寄存器，前 4 位 0010 是 LOAD A 指令 。意思是，把 RAM 的值放入寄存器，后 4 位 1110 是 RAM 的地址, 转成十进制是 。接下来，指令由 "控制单元" 进行解码，就像之前的所有东西 "控制单元" 也是逻辑门组成的，比如，为了识别 "LOAD A" 指令，我们需要一个电路，检查操作码是不是。我们可以用很少的逻辑门来实现。

执行阶段

现在知道了是什么指令就可以开始执行了，开始 "执行阶段"，用 "检查是否 LOAD_A 指令的电路" 可以打开 RAM 的 "允许读取线", 把地址 14 传过去 ，RAM 拿到值，0000 0011，十进制的 3。因为是 LOAD_A 指令，我们想把这个值只放到寄存器 A，其他寄存器不受影响。所以需要一根线，把 RAM 连到 4 个寄存器用 "检查是否 LOAD_A 指令的电路" 。启用寄存器 A 的 "允许写入线"，这就成功把 RAM 地址 14 的值，放到了寄存器。既然指令完成了，我们可以关掉所有线路，去拿下一条指令，我们把 "指令地址寄存器"+1，"执行阶段"就此结束。

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解码，这些逻辑电路会配置 CPU 内的组件来执行对应操作，具体分析这些解码电路太繁琐了。既然已经看了 1 个例子， 干脆把 "控制单元 "包成一个整体，简洁一些。没错，一层新抽象，控制单元就像管弦乐队的指挥 ，"取指令→解码→执行" 完成后，现在可以再来一次。