文章目录

前言
计算机的发展史
冯诺依曼体系
什么是CPU(中央处理器)
- 算数逻辑单元ALU
- - 算数单元
  - 逻辑单元
  - ALU符号
- 寄存器和内存
- 控制单元CU
- 指令
- CPU的工作流程
- CPU的中断模式
编程语言
总结

前言

当前计算机技术获得了迅猛发展，广泛的应用于人们的日常生活中，给人类的生活带来了巨大的便利，随着社会发展，越来越多的人对计算机产生了浓厚的兴趣，下面我就带大家来揭开计算机的神秘面纱，学习计算机是如何工作的！

计算机的发展史

关于计算机的发展史，不得不说，如果让我来写，我可能写三天三夜也写不完，历史是人类宝贵的财富，而将计算机和历史联系在一起又能产生怎样的火花呢？下面这篇文章就会告诉我们：

来自 涛歌依旧 的:《古今计算机发展简史》
古今计算机发展简史

冯诺依曼体系

现代计算机之父----冯诺依曼

约翰·冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12月28日-1957年2月8日），美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家，是20世纪最重要的数学家之一。冯·诺依曼是罗兰大学数学博士，是现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等领域内的科学全才之一，被后人称为“现代计算机之父”、“博弈论之父”。

那什么是冯诺依曼体系呢?

冯诺依曼结构图如下:

CPU 中央处理器: 进行算术运算和逻辑判断.
存储器: 分为外存和内存, 用于存储数据(使用二进制方式存储).
输入设备: 向计算机输入数据和信息的设备.
输出设备: 计算机硬件系统的终端设备.

什么是CPU(中央处理器)

CPU是计算机的心脏，负责执行提供给它们的指令，它的主要任务是执行算术运算和逻辑运算，并将指令协调在一起。

算数逻辑单元ALU

ALU 是计算机中进行算数、逻辑运算的核心部件，是计算机的数学大脑。ALU的基本功能包括加，减，乘，除四则运算，与，或，非，异或等逻辑运算，以及移位，求补等操作。

算数单元

算数单元：算数单元就是负责计算机里的所有数字操作，比如四则运算等。
接下来我们通过实现一个8位数加法器来理解算数单元。
半加器：

全加器：

上面介绍了半加器和全加器，8位数加法器就是由半加器和全加器组合而成的，如下图所示：

逻辑单元

逻辑单元：逻辑单元主要用来进行逻辑操作，最基本的操作就是与、或、非、异或操作，它还能做简单的数值测试，比如利用许多个“或门”来检测一个8位数是否为“0”。

判断一个8位数不为0：

判断一个8位数为0：

ALU符号

一个8位的ALU可能会需要数百个逻辑门，所以科学家们用一个特殊的符号来代表它，它的形状就像一个大写的V。

寄存器和内存

AND-OR锁存器：
之所以叫“锁存”，是因为它锁定了一个值，放入数据的动作叫“写入”，拿出数据的动作叫“读取”。

但是它有两条输入线，为了方便使用，我们希望它只有一条输入线，所以就出现了“门锁”这个概念，对于门锁来说，当允许写入线被置为0时，数据输入线不论是1还是0，数据输出不变，而当允许写入线被置为1时，数据输入1，输出就为1，数据输入0，输出就为0。

寄存器就是由一组锁存器构成的，如下图所示为一个8位寄存器：

内存（RAM）的构建基本原理和寄存器是一致的：

控制单元CU

控制单元：控制单元CU是CPU部件之一，有时也安装于CPU外部，其基本功能是从内存取指令、分析指令和执行指令。
控制单元结构：

从上图可以看出控制单元CU分为输入信号和输出信号。
输入信号：指令寄存器、标志、时钟、来自系统总线的控制信号（中断请求）。
输出信号：CUP内部的控制信号、到系统总线的控制信号（读写，中断响应）。

指令

指令：所谓指令，即指导 CPU 进行工作的命令，主要有操作码 + 被操作数组成。其中操作码用来表示要做什么动作，被操作数是本条指令要操作的数据，可能是内存地址，也可能是寄存器编号等。
如下图所示：

CPU的工作流程

CUP的操作流程如下：

取码阶段：CU根据PC寄存器的值，去内存的响应位置，把数据（指令）读取到 IR 寄存器中，正常情况下，PC寄存器中的值自动+1；
解码阶段：CU按照预先设定的指令集解读指令数据（opcode+操作数），例如上述的：0010 1110，人为规定：0010是opcode，查询指令表，知道0010代表的意思是，从后边地址指定内存处，将数据读取到A寄存器，1110代表地址为14的内存处；
执行阶段：LOAD指令应该由CU执行，所以按照规定执行指令：从内存的14地址处，将数据读取到A寄存器中。

关于PC寄存器：

由于硬件中PC在自动+1，所以我们的代码变成的指令才能顺序的的往下去执行
代码中的一条语句，很可能是需要多条指令才能完成的
PC寄存器中的值在这个指令周期中很关键，可以控制执行哪里的指令
通过CPU中预先规定的指令，可以修改PC中的值（带条件修改），进而影响执行流

CPU的中断模式

在正常模式下，CPU可以顺序执行，可以分支执行，但总归只能按照既定的顺序执行，但现实中，很多时候需要暂时中断CPU的当前执行流，先让CPU去做其他工作，再回头来继续原来的执行流。

CPU中提供了一种机制让CPU停下：

保存当前的PC的值到内存的某个位置
修改PC的值，让执行其他执行流
其他执行流执行结束之后，通过刚才保存的PC值恢复到PC寄存器
继续原来的执行流

中断的应用：

IO设备的处理
操作系统中用来作进程调度

编程语言

程序：所谓程序，就是一组指令以及这组指令要处理的数据。狭义上来说，程序对我们来说，通常表现为一组文件。

程序 = 指令 + 指令要处理的数据

总结

以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了CPU，实际上计算机中的结构是非常复杂的，要花费更多的时间才能学习透彻，如果觉得本文对你有帮助的话，就留下你的

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