组成计算机的基本硬件
运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。
CPU 中央处理单元
Center Processing Unit 中央处理单元，简称 CPU，是计算机的核心部件。
CPU的主要功能
- 程序控制 - CPU 通过执行指令来完成一系列的动作
- 操作控制 - CPU 执行指令的会产生操作信号，送往对应部件
- 时间控制 - CPU 对动作发生的时间点、时长及顺序进行控制
- 数据处理 - 对数据进行算术运算、逻辑运算
CPU 由哪些部件组成
CPU 由运算器、控制器、寄存器组和内部总线构成。
运算器
运算器主要做些什么？
- 算术运算
- 逻辑运算
运算器需要哪些部件来实现这些功能？
- 算术逻辑单元(ALU, Arithmetic and Logic Unit) - 负责算术和逻辑运算
- 累加寄存器(AC, Accumulator) - 用来暂存 ALU 的运算结果
- 数据缓冲寄存器(DR, Data Register) - CPU 和 内存交换数据的中转站
- 状态条件寄存器(PSW, Program Status Word) - 存放执行结果的标志信息(如有无进位、溢出、正负)，存放控制标志(如允许中断、跟踪标志)
控制器
为什么需要控制器？
运算器只负责处理数据，处理什么？如何处理？这些需要由控制器来调度。控制器解析指令，根据指令来控制 CPU 的动作。
控制器包含哪些控制？
- 指令控制
- 时序控制
- 总线控制
- 中断控制
重点介绍下指令控制：
指令控制的流程：
graph LR 取指令 --> 分析指令 --> 执行指令
详细一点的步骤
graph LR 取指令 --> 指令译码 --> 按指令操作码执行 --> 形成下一条指令地址
指令控制过程需要哪些硬件协助？
- 指令寄存器(IR, Instruction Register) - 暂存将要执行的指令，稍后交由指令译码器处理
- 程序计数器(PC, Program Counter) - 暂存下一条指令的地址
- 地址寄存器(AR, Address Register) - 保存 CPU 正在访问的内存地址
- 指令译码器(ID, Instruction Decoder) - 对指令中的操作码进行分析解释(指令包含操作码和地址码)
寄存器组
CPU 中包含多种类型的寄存器，如专用寄存器和通用寄存器。
通用寄存器(GPRs, General-purpose registers) 既可以存数据，也可以存地址。专用寄存器(SPRs, Special-purpose registers)则只提供专有用途。具体分类可参考 wiki 寄存器。
数据如何表示
带符号机器数的编码方法
- 原码
- 反码
- 补码
- 移码
定点数与浮点数
校验码
- 奇偶校验码
- 海明码
- 循环冗余校验码
主要参考资料
- 《软件设计师教程》第 5 版. 清华大学出版社. 1.1 节.