简单了解CPU的工作原理

一、基本结构以及对应功能

（1）基本结构

（2）几个重要寄存器的详细介绍

操作码 (Opcode)

操作数 (Operands)

指令表 (Instruction Table)

第一个：程序计数器 (PC)

第二个：指令寄存器 (IR，Instruction Register)

第三个：内存地址寄存器 (MAR)

第四个：内存缓冲区寄存器 (MBR)

第五个：累加寄存器 (ACC，Accumulator)

二、工作流程

1. 取指（Fetch）

2. 解码（Decode）

3. 执行（Execute）

4.写回（Writeback）

三、CPU的性能的评判标准（做一个补充）

1）频率

2）核心数

3）缓存

4）功耗和散热

5）工艺/架构

要了解CPU（中央处理器，Central Processing Unit）的工作原理，要先了解它的基结构。

一、基本结构以及对应功能

（1）基本结构

算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logic Unit）：负责执行所有的算术和逻辑运算。（内含多个组件）
控制单元（CU，Control Unit）：负责从内存中获取指令、解释指令，并将控制信号发送给其他部件以执行指令。（内含多个组件）
寄存器：小而高速的存储单元，用于暂存数据和指令。（种类很多，等一下介绍几个常见的）

（2）几个重要寄存器的详细介绍（了解即可）

想要理解CPU的工作流程，以下几个寄存器一定要有所了解。

在了解寄存器之前我们先了解一下这几个概念：

一个指令（二进制构成，如：0010 1110等），前半段表示操作码，后半段表示操作数。

操作码 (Opcode)

定义: 操作码（Opcode）是指令的一部分，用于指定CPU应该执行的操作类型。
作用: 它告诉CPU应该进行什么操作，例如加法、减法、跳转、加载数据等。

操作数 (Operands)

定义: 操作数（Operands）是指令的一部分，用于指定操作所需的数据或数据的位置。
作用: 它们是操作码所作用的具体数据或数据的地址，可以是立即数、寄存器、内存地址等。
类型:
立即数: 指令中直接包含的数值，例如5。
寄存器: 指定一个寄存器，例如R1。
内存地址: 指定一个内存地址，例如0x1000。
示例（已经把二进制指令翻译）:
在指令ADD R1, R2中，R1和R2是操作数。
在指令MOV R1, 5中，R1是目标操作数，5是源操作数。

指令表 (Instruction Table)

定义: 指令本身是一个数字，用二进制保存在内存中的某一个位置。每一个二进制数字就对应一个操作码，如图：

接下来我们正式来介绍这五个比家中要的寄存器：

第一个：程序计数器 (PC)

功能: 程序计数器用于存储即将执行的指令的地址。
作用: 它负责跟踪程序的执行顺序，每当一条指令被取出并执行后，程序计数器的值就会自动增加，指向下一条指令的地址。这样，程序计数器确保了程序的指令按正确的顺序被执行。
详细描述:
1. 初始化: 当一个程序开始运行时，程序计数器被初始化为程序的起始地址。
2. 指令获取: 在每个时钟周期，CPU会从程序计数器指定的地址取出一条指令。
3. 自增: 取出指令后，程序计数器通常会增加（或跳转）到下一条指令的地址，除非遇到跳转指令。

***tips***:

时钟周期：

时钟周期是CPU从开始到执行完一个指令所花费的时间，因此严格意义上来讲，每个时钟周期的时间都是不一样的。

程序计数器简记技巧：

功能：储存即将执行的指令的地址

作用：确保每条指令能够按预定顺序执行

第二个：指令寄存器 (IR，Instruction Register)

功能: 指令寄存器用于存储当前正在执行的指令。
作用: 它确保CPU可以在执行期间快速访问当前指令的操作码和操作数。指令寄存器使得指令的解码和执行过程更高效。
详细描述:
1. 指令加载: 当程序计数器（PC）指向的指令被取出后，这条指令会被加载到指令寄存器中。
2. 指令解码: 在指令寄存器中存储指令的同时，指令解码器会解析这条指令，确定其操作码和操作数。
3. 指令执行: 解析完成后，CPU根据解码结果执行相应的操作，如算术运算、数据传输等。