前面我们介绍了所有的基础零件，接下来就可以构建CPU了，这节的内容会比较多。

既然开始构建CPU，就少不了程序，因为CPU就是用来执行程序的。我们知道任何编程语言编写的程序最终都会转换为二进制，所以这里我们直接使用二进制的编程语言（机器语言）。比如我们让CPU计算一个加法3 14，这个加法运算用机器语言来描述的话就类似于下面这段二进制：

看着挺乱是吧，没关系，后面我们会讲解。大家只要清楚这段二进制的程序需要保存在内存里，这样CPU才能读取并执行。

不仅是程序，3和14作为运算的数据也是保存在内存里的，CPU要做的动作是从内存中某个地址读取数据3和14，然后根据程序要求（加、减……）对二个数字进行运算，运算的结果保存在内存中某个地址处。

要实现这样的功能，必须有一个约定，要让CPU能够识别相应的动作，即读取、运算、保存，所以我们建立如下约定：（称为指令表）。

指令表可以理解为是程序的解释器，当CPU拿到一段程序，例如00101110时，它必须知道这意味着什么，而指令表就能起到答疑解惑的作用。

具体来说每段程序（指令）的前四位对应着指令表中的操作码，后四位对应着指令表中的地址。比如00101110，前四位0010是操作码，它的含义是LOAD_A（见指令表），代表读取数据放入寄存器A。再看后四位1110，指令表中描述的内容是“4位内存地址”，这其实就是要读取的数据的内存地址。连在一起的含义就是“在1110这个地址处读取数据保存到寄存器A”。

接下来上电路！首先我们需要一块内存，可以直接使用上节提到的256B内存，但为了方便起见，我们假设它只有16个地址，可以保存16个8位二进制数。另外需要六个寄存器，每个可以保存一个8位二进制数，其中寄存器A-D用于临时存储和操作数据，指令地址寄存器用于记录程序运行到哪里了（程序指令的地址），指令寄存器用于存放指令内容。

接下来分析工作过程，当计算机启动时，所有寄存器初始值都是00000000，CPU开始进入第一个阶段：取指令，也就是从内存中获取指令。指令地址寄存器会连接到内存，读取地址为00000000的数据，即00101110，这个数据会保存在指令寄存器，第一个阶段结束。

第二个阶段：解码，即弄清楚指令要做什么。其实前面我们已经做了铺垫，指令内容是00101110，其中前四位0010是操作码，在指令表中对应的就是LOAD_A，指令后四位是1110，对应的是4位内存地址，整体意思就是从1110的位置读取数据保存在寄存器A。但现在还没有现成的电路能够做解码工作，所以我们需要添加一部分电路，如图。

这部分新添加的电路我们暂且称为解码电路，指令寄存器的前四位数据0010作为解码电路的输入，经过这些门电路的处理，最终会输出1。换句话说，解码电路的作用就是识别指令是否是0010（LOAD_A），只有指令是0010时，输出才是1，否则就是0。

第三个阶段：执行。解码电路的输出会连接到内存的允许读取端口，而指令寄存器的后四位1110会连接到内存的地址端口，这样就相当于允许读取内存地址为1110的数据，这个数据是00000011（十进制3）。

接下来这个数据要如何保存到寄存器A呢？我们需要让解码电路的输出同时连接到寄存器A的允许写入端口，而四个寄存器的数据输入端口要连接到内存的数据端口。当数据00000011被读取出来时，会同时发给四个寄存器，但只有寄存器A是允许写入的，所以数据就被保存在寄存器A中了。

接下来将指令地址寄存器 1，变成00000001，以便取下一条指令，后面的步骤与前面类似。需要注意的是，前面的解码电路只能识别第一条指令LOAD_A，后面每一条指令都需要单独的解码电路支持。我们把所有指令对应的解码电路和指令寄存器、指令地址寄存器等部分统一叫做控制单元。

接下来我们快速分析剩余的指令，现在指令地址是00000001，所以从内存中取出00011111存入指令寄存器。前四位0001对应的指令就是LOAD_B，后四位1111是要读取的内存地址，对应的数据是00001110（十进制14），这个数据会被存放到寄存器B中。然后指令地址寄存器 1（00000010），继续取下一条指令。指令内容是10000100，前四位1000在指令表中对应的是ADD，后四位0100分别是二个寄存器的地址01和00（因为寄存器A-D只有四个，用二位二进制数就可以描述），其中00是寄存器A，01是寄存器B，所以这个指令的作用就是将寄存器A、寄存器B的值相加。涉及到加法，就要用到之前讲过的算术逻辑单元，也称运算单元（ALU）了，我们简化一下电路如下：

寄存器A、B会通过控制单元连接到运算单元的二个输入端，同时控制单元会将操作符也传递给运算单元，这样就可以计算了。计算的结果必须保存起来才行，但指令本身并未明确保存在哪里，所以这里面有个约定，运算结果会保存在指令地址中最后一个寄存器里，二个寄存器地址分别是01和00，后面就是00，也就是寄存器A，所以最终结果会通过控制单元保存到寄存器A中，这个结果是00010001（十进制17）。

指令地址寄存器 1（00000011），继续取下一条指令。指令内容是01000111，前四位0100表明指令是STORE_A，即将寄存器A的数据写入内存，内存地址就是指令的后四位0111，控制单元会发送给寄存器A允许读取信号，发送给内存允许写入信号，将寄存器A的值保存在内存中对应的位置。

终于我们完成了一句简单的程序任务，两数相加，并成功保存结果。我们会发现每个指令的读取、解码、执行，相当于一个周期，CPU就是不断的重复这个周期，进而完成各类任务。在每个周期中算术逻辑单元、控制单元、存储单元（内存）都需要密切配合，节奏不能乱，才能保证最后的结果正确。但如何确保这个节奏是恰当的呢？既不能太快，因为即使是电信号的处理也需要时间，也不能太慢，造成计算效率太低。所以有一个单独的电路在控制这个节奏，就好像一台时钟，精确的指挥各个部分有条不紊的运行。CPU都有一个重要的指标：主频，例如2.6GHz，相当于26亿次周期/秒，意味着一秒钟内CPU会执行26亿次周期，主频越高的CPU代表速度越快。我们把带有时钟电路的算术逻辑单元、控制单元、6个寄存器封装成一个相对独立的部分，这就是CPU！

至此，我们从一个简单的晶体管开关开始，一路添砖加瓦，终于打造了一个完整的CPU，当然也是最基础的CPU。相信这个系列文章能让我们对硬件与软件的结合点有了清晰的认知，我们日常所使用的各类软件都是程序指令编写出来的，每个程序的每条指令在CPU内部都会经历众多晶体管开关的处理，最终完成我们希望的任务。

来源: 孙老师聊人工智能