1. 简介
本文将介绍中央处理器（CPU）如何与算术逻辑单元（ALU）、寄存器和内存（RAM）等关键部件协同工作，完成程序的执行。
2. CPU 概览
CPU 是计算机的核心，负责执行程序中的每一条指令。程序如 Firefox、Sublime Text 或 GTA V，本质上都是一系列指令的集合。这些指令可能是数学运算（如加减），也可能涉及内存操作（如读写）。遇到数学指令时，CPU 会调用 ALU 进行计算；遇到内存指令时，CPU 会与内存交互。
为了完成这些复杂操作，CPU 内部结构相当复杂，如下图所示：
我们简化一下模型：使用一个拥有 16 个地址、每个地址 8 位的内存；同时 CPU 拥有四个 8 位的寄存器 A、B、C、D，用于临时存储和操作数据。
2.1. 指令表
程序和数据都可以以二进制形式存储在内存中。CPU 通过指令表来定义其所支持的指令，并为每条指令分配一个唯一的 ID（即操作码 opcode）。在我们这个示例中，前 4 位是 opcode，后 4 位是操作所需的数据（比如寄存器编号或内存地址）。
我们还需要两个额外的寄存器：
- 指令地址寄存器（Instruction Address Register）：记录当前正在执行的指令在内存中的地址。
- 指令寄存器（Instruction Register）：保存当前指令的内容。
以下是我们示例中使用的指令表：
| 指令 | 描述 | 4 位 Opcode | 参数（地址或寄存器） |
|---|---|---|---|
| LOAD_A | 从内存地址读取到寄存器 A | 0010 | 4 位内存地址 |
| LOAD_B | 从内存地址读取到寄存器 B | 0001 | 4 位内存地址 |
| STORE_A | 将寄存器 A 的值写入内存 | 0100 | 4 位内存地址 |
| ADD | 将两个寄存器相加，结果存入第二个寄存器 | 1000 | 两个 2 位寄存器 ID |
2.2. 指令周期
CPU 执行指令的过程分为三个阶段：取指（Fetch）、译码（Decode）、执行（Execute），循环往复直到计算机关闭。
以初始状态为例，指令地址寄存器为 0，因此从内存地址 0 中取出指令 00101110，并写入指令寄存器。此时进入译码阶段。
译码阶段中，前四位 0010 表示 LOAD_A 指令，后四位 1110（即十进制 14）表示内存地址。于是 CPU 从内存地址 14 读取数据并写入寄存器 A。
接下来继续执行 LOAD_B 指令（opcode 为 0001，地址为 1111，即十进制 15），将内存地址 15 的值 14 写入寄存器 B。
2.3. ADD 指令
当指令地址寄存器递增到 2 时，我们从内存地址 2 读取到指令 10000100。opcode 为 1000，表示 ADD 指令。后四位 01 和 00 分别表示寄存器 B 和 A。
于是 ALU 将寄存器 A 和 B 的值相加（3 + 14 = 17），并将结果写入寄存器 A。
2.4. STORE 指令
最后执行的指令是 01001100。opcode 0100 对应 STORE_A，地址 1100（即十进制 12）。此时 CPU 将寄存器 A 的值 17 写入内存地址 12。
✅总结：我们从内存中加载了两个值，进行了加法运算，并将结果存储回内存。
3. CPU 时钟
CPU 的运行节奏由时钟信号控制，它以固定频率发出电信号，驱动 CPU 的取指、译码和执行流程。
这个频率称为时钟频率（Clock Speed），单位是赫兹（Hz）。例如，1Hz 表示每秒一个周期。
早期的 CPU，比如 1971 年发布的 Intel 4004，主频为 740 千赫兹（740,000 次/秒），而现代处理器主频可达几吉赫兹（Gigahertz），也就是每秒数十亿次运算。
⚠️注意：主频越高并不代表性能一定越好，架构优化、缓存设计等也会影响整体性能。
4. 总结
本文介绍了 CPU 的基本工作原理，包括：
- CPU 与 ALU、寄存器、RAM 的协作方式
- 指令表的设计与使用
- 指令周期的三个阶段（取指、译码、执行）
- CPU 时钟及其作用
并通过一个简单的加法程序演示了 CPU 如何一步步完成任务。理解这些底层机制，有助于我们在开发中更好地优化代码性能，避免一些底层瓶颈。