任何计算机系统的真正复杂性都存在于处理器中，但你知道它是如何工作的吗？我是说，它到底是怎么运作的？你写的代码怎么变成能做一些工作的东西？当你知道了CPU是如何工作的，你就知道这不是魔术——这是一个& quot提取& quot和& quot执行& quot。

到目前为止，我们已经学习了计算机的整体工作原理，尤其是记忆原理。记忆是一种装置，当给定一个输入时，它会自动产生一个相关的输出——读取或自动存储该输出。内存的原理和机制很吸引人，但是我们需要更多的东西，一些可以利用内存执行指令的东西——我们需要处理器。

处理器是另一个难度级别。

断言

处理器就是计算机

的有效性确实是毋庸置疑的。

如果你不相信我，请尝试在Mac上运行为PC编写的程序。

关键是不同处理器的计算机是不同的——相同处理器的计算机只是更快或更慢。

内存管理和缓存的细节可能令人印象深刻，但任何计算机系统的真正复杂性都存在于处理器中，现在是时候更仔细地研究它如何完成它所做的事情了。

即使你认为你已经知道了，你可能仍然会觉得这个解释很有趣。原因是很多书和课程没有告诉你一切。它们戛然而止，让你觉得处理器很神奇，即使你知道它应该如何工作的大致轮廓。

在其他地方，我们发现处理器和内存之间的密切关系构成了计算机。当处理器将地址放在地址总线上时，它将选择一个特定的存储位置，然后将数据存储在数据总线上，或者将存储的数据放在数据总线上的一个位置。

请注意，这不是魔术。没有小人住在里面，通过地址找到特定的内存位置，然后为CPU检索内容。这个动作就像一把锁住的钥匙一样自动。CPU将地址放在地址总线上，并选择和激活特定的存储单元。读/写线设置一个存储单元的行为，要么把它的内容放在数据总线上，要么& quot闩锁& quot或者将内容存储在数据总线上。

一切都是全自动的。

程序计数器

这可能是计算机的主要工作原理，但它忽略了实际& quot正在处理& quot处理器的数据。

毕竟这叫一个& quot处理器& quot，所以它可能不仅仅是存储和检索位模式。我们已经知道如何使用二进制模式来表示数字，我们知道如何使用布尔逻辑来加减数字。

但这只是CPU处理的一部分。当你第一次开始考虑处理器如何工作时，你通常会专注于算术。原因是我们经常错误地把电脑当成& quot计算机& quot，但在大多数情况下，计算机实际上是在做算术以外的事情。

一旦你开始更仔细地观察，魔法似乎更多地与这个硅片(或由任何其他东西制成的CPU)如何执行程序中的命令有关。它是如何看待程序中的下一条指令，弄清楚它的含义，然后安排不可变的硬件去执行它的？软件可能是软的，但硬件是固定的，不会因为指令的要求而改变。

另一个趋势是，人们倾向于认为一个小人坐在那里等待处理器的下一条指令，然后做它命令的任何事情。当然，这并不是它是如何发生的，它就像记忆的存储和检索一样是自动的。

& quot技能& quot处理器的执行看起来非常复杂，但它都是基于从简单和非常传统的基础上构建复杂的东西——但这不总是计算机的原则吗？

处理器需要做的第一件事是以某种方式跟踪它在程序中的位置。这使用一个单独的内存位置，通常称为& quot程序计数器& quot或者PC(program counter)——注意，它不计算程序的数量！由于历史原因，处理器中的所有内存位置都称为& quot注册& quot，这意味着它们通常比简单的内存位置有更多的功能。例如，PC寄存器可以执行两种操作。它可以被初始化为一个设定值或递增，也就是说，它可以将存储在其中的值加1。

提取周期

和程序计数器(PC寄存器)一样，处理器也有一个指令寄存器，用于存储当前程序的指令。系统时钟发生器可以提供脉冲来同步整个机器中发生的事情——不一定，但是没有时钟同步的机器更难造，同样的道理，很难描述！

CPU中发生的情况是，PC寄存器包含下一条指令的地址，在第一个时钟脉冲时，地址被放在地址总线上，一个读周期将指令传输到指令寄存器。请注意，我们已经在使用& quot小人& quot描述发生的事情。地址不是& quot放在公交车上& quot通过一些明智的干预。相反，一个逻辑门响应时钟脉冲，使能其它逻辑门，从而允许在地址总线上设置PC寄存器的内容。

这被称为提取周期。

PC寄存器指向存储下一条指令的位置。

如果您想更详细地描述提取周期，您还必须包括等待一切稳定下来所必需的延迟。所以完整的提取循环可能是这样的：

在时钟脉冲的上升沿，PC寄存器驱动地址总线，指令寄存器被设置为读取数据总线上出现的任何内容，即下一条指令。然而，这不会立即出现在数据总线上，因为存储器需要时间来响应新地址。

在时钟脉冲期间，地址解码器选择被寻址的RAM位置。事实上，将读/写线设置为read意味着存储单元自动将其内容放到数据总线上。

在时钟脉冲的下降沿，指令寄存器将锁存数据总线上的所有内容，PC寄存器的内容将增加1。

请注意，提取周期始终是相同的，没有变化，也就是说，这仅使用逻辑门就可以轻松实现。让PC驱动地址总线，等待一切稳定，然后让指令寄存器锁存数据总线上的内容——非常简单！

一旦指令载入指令寄存器，PC寄存器将自动递增1。这种方式

以确保在下一个提取周期开始时，“下一条指令”被“取回”，并且确保程序从头执行到尾。

到目前为止一切顺利，但是在指令寄存器中的指令会发生什么呢?

执行周期

目前，在只有一个提取周期的情况下，运行一个程序就等于将每个程序信息依次传输到指令寄存器中，但实际上什么都没做呢！

解决方案是添加“执行周期”。在每个提取周期之后，下一个时钟脉冲将启动执行阶段。解释执行周期的通常方法是说指令先被“解码”，然后再执行。

这种解释的麻烦在于，它再次几乎被神秘化，并且使人想起了住在机器中的某个小人儿的情形，这个小人儿查看指令、然后执行指令。这当然还是无稽之谈！真正发生的事情与运行计算机的其他所有部件一样，都是自动的、常规的和非智能的。

每个指令都由许多片段或字段组成。确切的数量和类型取决于处理器的体系结构，并且可以由硬件设计人员确定，但是通常至少有两个。

第一部分称为“操作码”。这是一个简单的二进制值，用于指定指令将执行的操作。

大多数处理器具有与程序计数器和指令寄存器类似的其他寄存器，这些寄存器通常是指令处理的主要内容。出于历史原因，第一个通用寄存器通常称为A寄存器-表示累加器的“A”-一个典型的指令是从某个指定的内存位置加载A寄存器。其他通用寄存器通常称为B，C，D等等。

每个指令都有唯一的操作码，这不仅可以识别该指令，而且实际上能够使计算机执行该操作。发生这种情况的方式是，指令寄存器具有与指令操作码的固定位置相对应的部分。

在我们的示例中（如图所示），操作码对应于前四位。操作码中的每个位都连接到称为指令解码器的某种组合逻辑，该组合逻辑使处理器执行与操作码相对应的任何操作。

至此，在大多数有关处理器工作原理的描述中，都掩盖了“如何执行”的主题，但为了消除这个谜团，我们需要更加仔细地研究一下。

操作码

操作码不只是旧的数字；它具有结构。

在我们的示例中，操作码的低两位充当迷你地址，用于选择该操作将要使用哪个寄存器–

11A寄存器，

10B寄存器，

01C寄存器，

00D寄存器。

高两位给出了要在所选寄存器上执行的操作-例如：

10=加载到寄存器，

11=与寄存器中已有的值累加

等等。

您会看到指令解码器中没有任何魔术。将低两位送入一组“与”门，该“与”门向正确的寄存器提供选择信号，即四个可能的之一。

使用“与/或”门对高两位进行类似的解码，以得出使寄存器“锁存”或加载数据总线上任何内容的信号。

指令解码器提供信号来选择寄存器并决定它做什么操作

随着处理器变得越来越复杂，有更多的寄存器可供选择，还有更多的操作需要设置。但是，指令解码器的操作始终是相同的。它挑选出部分操作码并将其解码为少量控制线，这些控制线会更改在CPU中选择或取消选择的逻辑元素。

随着处理器变得越来越复杂，有更多的寄存器可供选择，也有更多的操作需要设置。然而，指令解码器的操作总是相同的。它从操作码挑出某些部分，并将其解码为少数几条控制线，这些控制线控制选中或者不选中哪些CPU中的逻辑元件。

地址字段

现在你可以看到，执行阶段以一种完全自动的方式加载A寄存器，但是从哪里加载呢?

答案通常是在操作码中的第二个字段被视为地址。在执行周期开始时，操作码的地址部分被放置在地址总线上，这确定了该寄存器是从哪个内存位置加载或存储到的哪个内存位置。

地址字段选择要在操作中使用的内存地址

注意，地址总线上放置的内容取决于哪个寄存器是活动的。在提取周期中，PC寄存器处于活动状态，它驱动地址总线，而指令寄存器则锁存数据总线上的内容。在执行周期中，指令寄存器处于活动状态，它驱动地址总线，并且某个寄存器锁存数据总线上的内容。

真的很简单。

我们现在要做的就是把它们放在一起。

提取-执行周期

现在我们对执行阶段所发生的事情有了一个完整的描述，甚至可以在一切都落定下来的时候在描述中添加必要的延迟。所有事情发生的时间都是由系统或处理器时钟决定的。具体什么时候发生，会依据处理器的特定类型而有所不同，但是通常使用时钟脉冲的上升沿和下降沿来标记事情发生的时刻。

对于刚刚通过上一次提取，放置在指令寄存器中的寄存器加载指令，接下来将会发生：

在执行时钟脉冲的上升沿，寄存器选择位被解码，并且寄存器选择线之一被激活。操作码的“动作”部分被解码，寄存器控制线之一（在这种情况下为加载）被激活。指令上的地址部分驱动地址总线。请注意，所有这些操作都是同时发生的，因为动作的每个部分都有单独的逻辑门。在时钟脉冲期间，存储器对地址总线进行解码，而已寻址到的内存位置驱动数据总线-并在给定时间内落定下来。在时钟脉冲的下降沿，选中寄存器锁存数据总线。

并且，当然，在执行周期之后，将进入下一次提取周期，依此类推，直到程序执行完成。

这是计算机的基本原理，也是CPU的工作方式。

您不需要更多的硬件或其他额外的操作原理，即可制造出满足大部分需求的机器。

例如，要求两个数值的加和，您不需要特殊的指令即可将两个存储位置的值加在一起。您所需要的就是加载A寄存器的指令，以及将一个内存位置的值加和到A寄存器的当前值的指令。请注意，除了提取周期和执行周期外，不需要其他类型的时钟周期。加和硬件的实现是为了将数据总线上的值加和到寄存器中，而不是将数据总线的值加载到寄存器中。

重复向A寄存器中添加值的操作，即“累加（Accumulating）”一个和，是A寄存器名称的由来。

使A寄存器成为累加器所需的额外硬件只是一个全加法器，它将数据总线上的值与A寄存器的输出上的值相加。全加法器的输出反馈到A寄存器的输入。

如何累加

如果您不想使事情变得复杂，您甚至可以使用相同的硬件配置来实现“加载A”操作，只需在“添加至A”操作期间阻止A寄存器的输出即可。但是实际上，现代处理器具有许多内部总线，这些内部总线将寄存器连接到算术和逻辑单元（ALU）-而全加器只是其中的一个比较原始的元件。

问题：一个全加器发展到最后会成为什么？

答案：ALU……

跳转

最后，只是为了向您展示CPU工作可能需要的所有内容，都可以轻松地包含在简单的处理器体系结构中，需要考虑如何实现“跳转到xxxx”指令。

通常，下一条要执行的指令存放在内存中的下一个顺序位置上，但是跳转会使xxxx处的指令成为下一个指令。

如何做到这一点？非常简单！

只需使PC寄存器对应于寄存器地址00（而不是前面建议的通用寄存器D）即可。现在考虑“从地址aaaa加载PC”的作用。它用存储在“aaaa”中的值加载PC寄存器，因此使它成为下一条指令。没有什么必需的东西，但不难发现如何修改它，使它完全按照指定的方式工作。

但这将我们带到了一有趣的话题，即寻址模式，那是另一个故事了。

为了使计算机能够执行您需要执行的所有操作，还需要添加条件跳转。基本的跳转指令用于固定循环-重复的代码段。条件跳转用于实现人类更能理解的条件，就像自然语言一样。将我们的设计扩展成这样非常容易。您需要另一个寄存器，即条件代码寄存器。现在，当加载寄存器后，还需要提供在条件代码寄存器中设置位的逻辑。如果寄存器为零，则设置为零；如果为负，则设置为负；如果为正，则设置为正。现在，您可以修改跳转指令，使其包含可以测试条件位的逻辑。所以现在你有了条件跳转指令，比如jmpeq表示如果等于0跳转，jmpn表示如果为负跳转，等等。您应该能够看到如何实现这一点-条件位只需启用或禁用PC寄存器的加载即可。

有了条件跳跃，我们的计算机现在可以做任何事情——它是图灵完备的。

超越提取和执行周期

如果您了解现代处理器，您可能会提出反对意见，认为这不是它们的工作方式。这在一定程度上是正确的。最初的计算机完全按照描述的方式工作，但是随着时间的推移，提取执行周期已进行了调整，以使计算机的运行速度更快。特别地，通常延长提取周期、解码和执行周期，以便在一个时钟脉冲上，一条指令被提取的同时，较早的指令被解码并同时执行。这通常被称为管道，大多数现代机器都在使用它，但这只是对fetch-execute的一个发展。现代处理器是如此发达，以至于您可能看不到它们如何工作的简单性，但从最底层看，它仍然是负责计算的提取执行周期。