带你从零开始设计一个简单CPU
文章目录
- 前言
- 一 CPU的基本组成
- 二 CPU的基石
- 三 ALU（运算器）
- 1.二进制
- （1）二进制在计算机中
- （2）为什么是二进制
- 2.布尔代数 & 逻辑门
- （1）什么是布尔代数
- （2）基本逻辑门
- 四 寄存器
- 1.锁存器
- 2.矩阵
- 五 时钟
- 最后
前言
这篇文章的目的是以最简单的方法讲解CPU的结构，
带你感受关于CPU的智慧和魅力。
大部分图片来自Crash老师的计算机科学速成课。
一 CPU的基本组成
CPU即中央处理器（central processing unit）是计算机系统的运算和控制核心
让我们来看看它的主要组成结构吧。
ALU(算术逻辑单元): 是能够进行算术运算和逻辑运算的组合逻辑电路。
寄存器（随机存取存储器）：也叫主存，是与CPU直接交换数据的内部存储器。
控制器：把内存上的指令、数据等读入寄存器。
时钟：负责管理CPU的节奏（频率）。
二 CPU的基石
大家应该都知道晶体管是CPU的基石，但你知道么？其实晶体管还有两位“老前辈”，继电器和热电子管曾经发挥着它的作用。
1.继电器
让我们把继电器简化一下。
控制电路上有一个线圈，当我们给它通电时线圈会产生吸力，将机械继电器关上。从而实现了 关/开 这两种状态。这两种状态就可以和二进制联系起来从而表示数据了。（关于为什么能表示数据后面二进制会讲）
但是继电器不断的动就一定会产生磨损，需要经常更换。
于是科学家们发明了不需要动的热电子管。
2.热电子管：它是一个真空管。
我们把它也简化一下
真空管中含有两个电极，一个电极会发热射出电子，另一个带正电的电极会吸引电子从而形成电流。中间设置了一个控制电路来开关。
热电子管是不需要动了，但是它就像灯泡一样，一直发热肯定会烧坏。
而且非常容易碎，于是晶体管就出场了。
3.晶体管
简化一下它的结构。
半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，通过门电路我们就可以控制它的导电性，而且半导体的能耗低，导电性转换的很快，因此一直使用到现在。
下面我们会讲计算机的算数大脑（ALU），关于为什么 关/开 能代表数据，也会在下面的部分讲解。
三 ALU（运算器）
1.二进制
（1）二进制在计算机中
上面的部分我们已经提到了，晶体管可以有开关两种状态，这时我们就可以将开对应1，关对应0 。正好可以利用我们学过的二进制。
电路合上，有电流，代表‘真’
电路打开，无电流，代表‘假’
（2）为什么是二进制
第一点：只有两种状态，便于区分信号，不容易受外界干扰。
第二点：当时数学上二进制已经能够完成所以的计算。
2.布尔代数 & 逻辑门
（1）什么是布尔代数
常规代数中，变量是数字，利用数字进行‘+’ ‘-’
布尔代数中，变量是true和false，利用这两个进行逻辑操作
（2）基本逻辑门
| AND门 | NOT门 | OR门 | XOR |
|---|---|---|---|
| 两个true才是true | 输出相反 | 一个true即为true | 一真一假才能输出true |
以NOT门为例，我们看一下大致的情况是怎样的
当输入为ON ，接地，输出为OFF
当输入为OFF，不接地，输出为ON
ALU也可以进行逻辑运算，如两个数相减，通过逻辑门的组成可以判断结果的正负从而判断两个数的大小，这里就不再叙述。
四 寄存器
1.锁存器
数据是可以就行计算了，但是计算之后的数怎样进行存储呢？
让我们看一个简化的电路。
通过分析我们可以看出来，当下面的数变成1之后，不管输入什么值，都输出1
这是能存储1的单元
这种方式就好像是把1锁在里面一样，因此叫做“锁存器”
但是通过这种方法，只能存储1位数，那么将八个锁存器并排连起来，不就可以存储8位数了么。这就是8位寄存器。
2.矩阵
但是8位也还是太少了，怎样排列可以更省线，更方便呢？
科学家们开始利用矩阵构成网络。
16 * 16的寄存器就变成了256位寄存器
五 时钟
时钟以准确的间隔，触发电信号，CPU用这个信号，推进CPU的内部操作。
CPU取指令->解码->执行的速度叫“时钟速度”
很多现代处理器可以按需求 加快或减慢时钟速度
这叫“动态调整频率”
超频可以提高CPU的速度.
降频可以减少能耗.
最后
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