指令、程序、中央处理器
指令
1、给 CPU 支持的所有指令，分配一个 ID
2、操作码：指明该指令要完成的操作的类型或性质，如取数、做加法或输出数据等
3、地址码：指明操作对象的内容或所在的存储单元地址，可以是寄存器或内存地址
4、指令集组成程序
5、CPU 两种策略以支持更多指令
（1）最直接的方法是用更多位来代表指令，比如 32 位或 64 位，这叫指令长度
（2）可变指令长度：比如某个 CPU 用 8 位长度的操作码，如果看到 HALT 指令，HALT 不需要额外数据，那么会马上执行，这样设计，指令可以是任意长度，但会让读取阶段复杂一点点
6、假设以下程序的指令
CPU
1、负责执行程序
2、程序由一个个操作组成，即指令
（1）如果是数学指令，CPU 会让 ALU 进行数学运算
（2）可能是内存指令，CPU 会和内存通信，然后读 / 写值
3、组成
（1）假设 RAM只有 16 个位置，每个位置存 8 位
（2）四个 8 位寄存器，叫 A，B，C，D，用来临时存数据、操作数据
（3）还需要两个寄存器，来完成 CPU，指令地址寄存器：追踪程序运行到哪；指令寄存器：储存当前指令
（4）时钟：负责管理 CPU 的节奏，以精确的间隔 触发电信号，控制单元会用这个信号，推进 CPU 的内部操作，确保一切按步骤进行
（5）时钟速度：CPU：取指令 -> 解码 -> 执行的速度，单位是赫兹，赫兹是用来表示频率的单位，1 赫兹代表1 秒 1 个周期
4、第一阶段：取指令阶段
（1）首先，将指令地址寄存器连到 RAM
（2）寄存器的值为 0，因此 RAM 返回地址 0 的值，00101110 复制到指令寄存器
5、第二阶段：解码阶段
（1）前 4 位 0010 是 LOAD_A 指令，即把 RAM 的值放入寄存器 A
（2）后 4 位 1110 是 RAM 的地址，转成十进制是 14
（3）指令由控制单元进行解码，控制单元也是逻辑门组成的
（4）比如，为了识别 LOAD_A 指令，需要一个电路，检查操作码是不是 0010
6、第三阶段：执行阶段
（1）用检查是否 LOAD_A 指令的电路，打开 RAM 的允许读取线，把地址 14 传过去
（2）RAM 拿到值，00000011，十进制的 3
（3）LOAD_A 指令，把这个值只放到寄存器 A，其他寄存器不受影响
（4）需要一根线，把 RAM 连到 4 个寄存器
（5）用检查是否 LOAD_A 指令的电路，启用寄存器 A 的允许写入线
（6）把 RAM 地址 14 的值，放到了寄存器 A
（7）指令完成了，可以关掉所有线路，去拿下一条指令
（8）把指令地址寄存器 + 1，执行阶段结束
控制单元看作一个整体，继续执行程序
1、取指令阶段，指令地址寄存器现在的值是 1，所以 RAM 返回地址 1 里的值：00011111
2、解码阶段：0001 是 LOAD_B 指令，从 RAM 里把一个值复制到寄存器 B，内存地址是 1111，十进制的 15
3、执行阶段，控制单元让 RAM 读地址 15，并配置寄存器 B 接收数据，把值 0000 1110，即十进制的 14 存到了寄存器 B
4、指令地址寄存器 + 1
5、取指令阶段，指令地址寄存器现在的值是 10，所以 RAM 返回地址 2 里的值：10000100
6、解码阶段：1000 是 ADD 指令，0100 不是 RAM 地址，而是 2 位 + 2 位分别代表 2 个寄存器
（1）2 位可以表示 4 个值，所以足够表示 4 个寄存器
（2）第一个地址是 01, 代表寄存器 B
（3）第二个地址是 00, 代表寄存器 A
（4）因此，10000100，代表把寄存器 B 的值，加到寄存器 A 里
7、执行阶段
（1）控制单元负责选择正确的寄存器作为输入，并配置 ALU 执行正确的操作
（2）对于 ADD 指令，控制单元会启用寄存器 B，作为 ALU 的第一个输入，启用寄存器 A，作为 ALU 的第二个输入
（3）ALU 可以执行不同操作，所以控制单元必须传递 ADD 操作码告诉它要做什么
（4）最后，结果应该存到寄存器 A，但不能直接写入寄存器 A，这样新值会进入 ALU ，不断和自己相加
（5）因此，控制单元用一个自己的寄存器暂时保存结果，关闭 ALU，然后把值写入正确的寄存器，这里 3+14=17，二进制是 00010001，现在存到了寄存器 A
8、指令地址 + 1
9、取指令阶段，指令地址寄存器现在的值是 11，所以 RAM 返回地址 3 里的值：01001101
10、解码阶段：0100 是 STORE_A 指令，RAM 地址 1101，十进制 13
11、执行阶段地址传给 RAM，打开允许写入，同时，打开寄存器 A 的允许读取，这样就可以把寄存器 A 里的值，传给 RAM
12、至此，该程序运行完毕
