cpu的工作原理（CPU原理簡介）

2023-04-13 19:48:09

這是一個計算機最簡單的構成，其中最核心的部件一個是cpu，一個是內存，其他都可以稱為外設（USB、顯卡、磁碟控制器、網卡驅動）。

cpu內部有一個部件叫ALU（數據邏輯單元）是用來做計算的，寄存器用來存數據的，pc（程序計數器）用來存指令。

比如計算3 5，pc記錄了執行到第幾條指令了，數據3、5存儲在寄存器，由ALU來計算，加完了之後存儲到內存中或存儲到另外一個寄存器。

計算機最終的組成是由數字電路組成，

合上開關，電路聯通，燈泡就會亮。假設用2個信號表示一個字符，

2個信號只能表示4個字符，如果想表示更多的字符，就要增加信號的寬度，

3個信號的組合可以表示8個字。

多少個信號，就可以表示2的多少次方個字符，這個就是字符編碼。

中文日常交流常用的漢字有4000多個，康熙字典中記錄了所有的漢字47000個，多少個信號可以代表所有的漢字，2的16次方65536，用一個16位的字符集就可以代表中國所有的漢字。

字符編碼代表到底這個碼代表什麼字符，比如0011表示我，不同的字符編碼表示同樣的一個我字對應的編碼是不一樣的，比如在一個字符中用0200表示，在另外一種字符中用2929表示；而亂碼表示編解碼用的編碼方式不一樣，比如用GBK編碼，用UTF-8解碼，就會亂碼即用來解析的碼錶和encode編碼的碼錶不一樣，就會亂碼。

在這個電路中其中有一個斷開整個就是斷開的，

所有都聯通才是聯通狀態，如果用二進位的概念表示，

0表示斷開（不通），1表示聯通，所有為1才為1，對應著與門電路，

此電路有兩個以上輸入端,一個輸出端；只要有一個或幾個輸入端是 「1」,或門的輸出即為 「1」；而只有所有輸入端為 「0」時,輸出才為 「0」。

輸入端和輸出端的電平狀態總是相反的。

當任一輸入端(或多端)為高電平（邏輯「1」）時，輸出就是低電平（邏輯「0」）；只有當所有輸入端都是低電平（邏輯「0」）時，輸出才是高電平（邏輯「1」）。

當兩個邏輯自變量取值相異時，函數為1;反之，當自變量取值相同時，函數為0；或者說：當兩個輸入信號相異時有輸出，而相同時沒有輸出。

在異或門和或非門基礎上人們發明了加法器，

這個加法器是對1位進行相加，計算8位的話，就是把加法器用新的電路串聯起來，

當有了加法之後，所謂的ALU就出現了，只要能計算加法，其他所有的運算都能夠計算了。

減法可以用二進位的補碼完成，乘法可以用加法計算，除法可以用減法計算，所以最終所有的東西都可以用加法計算。

這是麵包板可以用來模擬電路，往上面插二極體和三極體，插上去之後，各個燈角就互相連通了。

這個裡面的輸入作為那個裡面的輸出，這個裡面的輸出作為那個裡面的輸入，這樣就可以做一些簡單的電路實驗。

當有了算法邏輯單元之後，整個計算的構成還需要其他的電路，比如時鐘信號電路，一個是為了計時，再一個會不斷的刷新電路，每刷一步電路就往前進一步做一個計算，因為到最後的時候，你會發現所有的計算都需要一個控制電路，控制電路必須一會聯通，一會斷開，每通一次整個的計算才會往前進一步。

3 5最終怎麼計算得到8的？通一次電，計算才往前走一步，所以需要一個時鐘電路，時鐘電路需要電池信號，線圈一通電就會產生磁場，磁場把開關斷下來，斷下來之後就不通了，不通了之後，電池沒電了，開關閉合，電流又通了，這樣來回來去的。

後面就發明了鎖存器，總而言之用更深的電路實現一個鎖存器，鎖存器的作用是不管控制端輸入一個什麼，最終這裡的輸出會保存下來即只要最終的電是通的，就會保存下來，這個就是內存或寄存器。

把數字存在這裡，不可能說通一次電流，數字就變了，只要不對它進行寫的操作，只要不覆蓋了，它就一直存在這，這個在電路上的名稱叫鎖存器。

有了1位鎖存器，就會產生8位的，

1024位的，

所以最終就會發現可以完完全全用一個電路來記錄地址，用另外一個電路記錄數據，再通過一個控制信號把它寫到鎖存器當中。

結果整個內部程序就會變成，我有一個地址，地址上記錄了哪個數據，就可以完全的把它記錄下來。

當然最終還是要寫程序實現程序的自動化，這個過程只要不斷的用時鐘信號去修改它的控制端，它就會一步一步的往前走，先加第一位，再加第二位，再加第三位...

cup中的寄存器就是鎖存器，裡面記錄了計算需要的數據；程序計數器就是地址，計算到哪一行、哪個地址了，往前推進一下，地址就往下加1；ALU是用來計算的電路即加法器。