计算机科学速成课2
前面已经做了一个算术逻辑单元ALU，输入二进制，它会执行计算，还做了两种内存：寄存器，在此基础上扩大规模做出了RAM，RAM是一大块内存，能在不同的地址存储大量的数字。把这些组合起来，形成计算机的心脏，即中央处理单元CPU（Central Processing Unit）。
CPU负责执行程序，像是office，浏览器等等。程序（program）由一个个操作（operation）组成，这些操作称之为指令（instruction），顾名思义，指示计算机要做什么。如数学指令，CPU会让ALU进行数学运算。内存指令，CPU会和内存通信，然后读/写值。
搭建一个CPU如下
首先需要一些内存，上part的RAM
再来四个8位寄存器，用来临时存储数据和操作数据
还需要两个寄存器，一个寄存器追踪程序运行到哪里了，“指令地址寄存器，存储当前指令的内存地址。另一个寄存器存当前的指令，“指令寄存器”。
CPU支持的指令对应的指令表，此例中，前四位来存储操作码，后四位代表数据来自哪里，寄存器或是内存地址。
启动计算器时，所以寄存器从0开始。CPU的第一个阶段叫做取指令阶段（fetch phase），负责拿到指令。首先，将指令地址寄存器连接到RAM，寄存器的值为0，所以RAM返回地址为0的值，00101110会复制到指令寄存器里。
拿到了指令，要知道是什么指令才能执行，即CPU的第二阶段，解码阶段（decode phase），参照指令表，前四位0010是LOAD_A指令，意思是把RAM的值放入寄存器A中，后四位1110是RAM的内存地址。指令是由控制单元进行解码的，
知道了是什么指令，就可以开始执行了，即执行阶段（execute phase）。
指令完成，把指令地址寄存器+1，去拿内存中的下一条指令，“执行阶段”就结束了。
不同的指令是由不同的逻辑电路进行解码，这些逻辑电路会配置CPU内的组件来执行对应的操作。控制单元指挥CPU的所有组件。
上述的“取指令-解码-执行”完成后，现在可以再来一次，从取指令开始，此时指令地址寄存器的值是1，所以RAM返回地址为1的里的值：00011111，解码阶段，前四位0001是LOAD_B指令，从RAM里把值复制到寄存器B中。后四位的内存地址是1111，即15。进入执行阶段，“控制单元”叫RAM读取地址15的值，并配置寄存器B开始接收。
最后一件事是指令地址寄存器加1，如此又完成了一个循环。
下一条指令有点不同，10000100，1000是ADD 指令，而0100不再是RAM 的地址，而是2位2位分别代表两个寄存器。01代表寄存器B，00代表寄存器A，所以10000100这条指令代表的是将B中的值加到A里面，涉及到相加操作，需要ALU。
控制单元负责选择正确的寄存器作为ALU的输入，并配置ALU进行正确的操作。即启用寄存器B和寄存器A作为ALU的输入，传递ADD操作码告诉它要做什么，接着控制单元用一个自己的寄存器保存计算结果，关闭ALU，将值写入正确的寄存器中。最后，将指令地址寄存器加1，该循环完成。
最后一个指令，01001101，解码得知是STORE_A指令，将寄存器A的值放入内存地址为1101（13）中。
如此，模拟运行了一个电脑程序，它从内存中加载两个值，相加，再将结果写入内存中。CPU的工作节奏“取指令-解码-执行”是由“时钟”来完成的，时钟以精确地间隔触发电信号，控制单元会用这个电信号，推进CPU的内部操作，确保一切按照步骤进行。
CPU“取指令-解码-执行”的速度叫做“时钟速度”，单位是赫兹，1赫兹代表1秒一个周期。例子中6min讲了4个指令，读取-读取-相加-存储，所以时钟速度是4 * 3 / 6 * 60，即0.03赫兹。
超频即修改时钟速度，加快CPU速度，超频过多会让CPU过热，或是产生乱码，因为信号跟不上时钟。
如此，加上时钟后，CPU才是完整的。RAM是在CPU之外的独立组件，CPU和RAM之间通过“数据线”，“地址线”，“允许读/写线”进行通信
CPU之所以强大是因为它是可编程的，如果写入不同的指令就会执行不同的任务。所以CPU是一块硬件，可以被软件控制。
早期计算机的提速方式是减少晶体管的切换时间，这些晶体管组成了逻辑门，ALU和前面说的其他组件。但现代处理器有上千条指令，有各种巧妙复杂的电路。
超高的时钟速度带了一个问题：如何快速的传递数据给CPU。因为RAM需要时间找地址，取数据，配置，输出数据，这样会造成CPU空等数据，解决的方法之一就是给CPU加一些RAM即缓存。缓存提高了速度，CPU从RAM中取数据时，RAM不用传一个，可以传一批。缓存里的每块空间，有一个特殊标记—dirty bit（脏位），需要和RAM中的数据进行同步。
另一种是使用指令流水线的方式来提升性能。前面CPU都是按照如下的方式按序处理，这种设计，三个时钟周期执行一条执行，但每个阶段用的是CPU的不同部分，意味着可以并行处理。
这样也会带来几个问题，比如指令之间的依赖关系，条件跳转。
也可以像这样
这些年，处理器不但大大提高了速度，而且也变得更加复杂，用了各种技巧榨干每个时钟周期，做尽可能多的运算。而我们的任务是运用这些计算能力做一些炫酷实用的事情。而这就是编程。
程序如何进入计算机？程序需要加载进内存。
早期的编程方式，不管是插线板，开关或是穿孔纸卡，都要非常了解底层硬件，比如操作码，寄存器，这样才能写程序。这样编程很难，所以我们需要一种简单的方式告诉计算机要做什么，一种更简单的编程方式。
p15 阿兰 图灵
非数学，非计算机专业的我，对编程什么的一窍不通的我要怎么理解图灵机的概念？
图灵机是计算模型，证明了这个简单假想机器，如果有足够的时间和内存，可以执行任何计算。但不是所有的问题都可以用计算解决。
