CPU的基本架構和工作原理其實百科上講得已經相當清楚了，不過我覺得有些事情呢還是給個例子出來比較方便學習。
本文會先從內存地址，計算機的一般架構之類的基礎知識出發，然後逐步爲讀者“拼裝”出一個超級簡單的8-bit CPU。。。就像下圖這樣（大圖點開）
這就是本文的目標：拼裝這樣一個結構的CPU
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上面那個大圖裏有幾個梯形的符號
它們叫做數據選擇器(Multiplexer)，也叫多路選擇器或多路開關
已經知道這個東西是幹啥的童鞋直接跳過此樓吧。。
這圖是一個2選1選擇器，A,B,S爲輸入，Z爲輸出，它們可取的值當然都只有0和1
怎麼工作的呢？
以該圖爲例：
當S=1的時候，輸出值Z = 輸入值B
當S=0的時候，輸出值Z = 輸入值A
比如說A=1,B=0,S=0的時候輸出是多少？S=0就是說：選擇A的值輸出，也就是說輸出值Z=A=1
就這麼簡單
同樣地，我們也可以有4選1選擇器
只不過控制輸入S變成了兩位(00,01,10,11，分別對應一二三四)，道理還是一樣的
如果你對這個東東怎麼做成的感興趣的話。。。下面就是4選1選擇器的其中一種電路 = =
哦，還有。。本文使用的邏輯門符號均是ANSI/IEEE Std 91-1984中的Distinctive shape，不是用方框符號。。。= =
你只要知道數據選擇器是幹啥的就好，不用惦記上邊那電路。。
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1.
計算機架構(Computer Architecture)
CPU、內部存儲器(Internal Storage Device)和輸入/輸出設備(Input/Output Device, I/O)是電子計算機三大核心部件。內部儲存器可以是硬盤，內存，緩存等；輸入設備可以是鼠標，鍵盤；輸出設備可以有屏幕，音箱等等。。
當你打開電腦硬盤上安裝的某個程序時，你的操作系統會把硬盤上的相應內容放入內存中。至於怎麼放，在內存的什麼地方放那可是一門大學問，光這個就夠一般人喝一壺的
。。相關知識可以在大學的操作系統課程裏學到
比如說你放個音樂。要放音樂，先用鼠標點開一個mp3文件，於是你就使用了一個輸入設備。這個輸入設備會把一箇中斷請求(Interrupt Request)送到CPU那邊，結合來自操作系統的信息後CPU就知道：哦，你用鼠標點開那個mp3文件了！於是：
1. CPU執行操作系統裏關於文件關聯的代碼，於是你的電腦就知道要用WMP打開文件了
2. 你的操作系統開始把WMP這個程序裏含有的指令和mp3文件的內容從硬盤上拉進內存裏(還是CPU的工作)
3. 然後你的CPU開始一條一條地(雙核的話那你就當成兩條兩條地好了)執行內存裏的WMP程序指令(也就是如何解碼mp3)，並且把解碼後的PCM比特流傳到聲卡上，再由聲卡把數字信號轉換成模擬信號送到音箱/耳機（輸出設備）裏。So now you have music！
又比如說你要編輯一個txt文件。還是先得用鼠標點開文件，又用了一次輸入設備。於是：
1. CPU執行操作系統裏關於文件關聯的代碼，於是你的電腦就知道要用notepad打開文件了
2. 你的操作系統把notepad的程序指令和文件內容拉進內存
3. 然後你的CPU又開始執行Notepad程序的指令了
4. 每當你敲一次鍵盤(還是輸入設備！！)，都會向CPU發送一箇中斷請求好讓CPU知道你敲了某個鍵。比如說你敲個Y，那麼CPU就會把Y這個字符寫進內存裏。然後你要保存的時候操作系統就會把內存裏改過的東東倒進硬盤裏！~
。。。好吧我承認實際過程跟這兒說的不大一樣並且複雜得多，有些細節會在後面詳細講，but that's the basic idea.
這大約就是CPU，輸入/輸出設備和內存之間的互動方式了。
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2.內存(Memory)
內存就是暫時存儲程序以及數據的地方，比如當我們在使用WPS處理文稿時，當你在鍵盤上敲入字符時，它就被存入內存中，當你選擇存盤時，內存中的數據纔會被存入硬盤。一斷電內存上的東東就沒了
內存裏的數據是根據內存地址(Memory Address)來組織的。每個地址都是獨特的，每個地址一般來說對應着一個字節(byte)=8 bit，我們管這叫Byte addressable memory.
在32 bit的系統上，內存地址的長度就是32 bit。那麼一個32 bit長度的二進制數最大可以表示的數是多少呢？很簡單，2^32 = 4294967296。也就是說，32 bit的內存地址最大可以對應4294967296字節的內存！
這個數字換算一下就可以得出它相當於4GB。現在你知道爲什麼32位系統不支持4GB以上的內存了嗎？
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3.
指令編碼(Instruction Encoding)
終於要說點正經的了。。前面說過CPU會執行內存/緩存中的程序指令，可是這些指令是以什麼樣的形式儲存在內存裏的呢？要知道所謂的指令其實就是一長串的0和1而已。那CPU如何從這些0和1裏知道指令是什麼呢？這就是指令編碼的內容了。
先說說CPU。您說，CPU能幹啥？其實很簡單，無非就是加減乘除，讀寫內存，邏輯運算什麼的。若是複雜些的CPU可能指令集要大些，不過基本的指令大概就這些。CPU內部也有自己的儲存單元，叫做寄存器(Register)，也是暫時用來放數據的地方，速度特別快，容量特別小。
就拿我經常用的NIOS II來說，它內部有32個寄存器，它可以執行的指令包括(不好意思我要用彙編語言了=_=):
add rA,rB,rC #把寄存器rB,rC裏的數加起來，結果放入寄存器rC
addi rB, rA, IMM16 #把rA裏的數跟一個16位的數相加，結果放入rB
beq rB,rA,LABEL #若rA=rB，則跳到LABEL指定的內存地址開始執行指令，否則繼續按照內存地址順序執行指令
stwio rB, b_o(rA) #從內存地址rA+b_o處讀取一個字節，數據放入rB
ldwio rB, b_o(rA) #從內存地址rA+b_o處開始寫入一個字節，寫入的數據在rB裏
。
。
等等
總結起來，CPU可以有以下幾個功能:
1.進行寄存器之間的運算和比較
2.由寄存器內指定的地址讀寫內存
3.分支指令，類似於C語言裏的if語句。比如跳到某個寄存器裏指定的內存地址開始讀取並執行指令
當然，更復雜的指令集是有可能的，不過這裏就不說了
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我知道讀者可能好幾樓沒見着個圖有點煩躁了，不過請有些耐心，等開始拼裝CPU的時候圖片絕對多
。。。
Anyway，繼續說指令編碼
大致來說，上面的指令可以分爲三大類：I-type,R-type,J-type
P.S.這種分類適用於MIPS架構的處理器，其他我就不知道了
1. I-type
以32 bit爲例。一條I-type指令包括四個元素：
兩個寄存器編號，一個16位數字和一個操作碼
31-27位代表指令裏寄存器rA的編號
26-22位代表寄存器rB的編號
21-6位是一個16位的二進制數
5-0位是操作碼
例子：
NIOS II彙編指令 addi r6,r7,310表示把寄存器r7裏的數加上310，結果放入寄存器r6。如果我們規定addi運算對應的六位操作碼是000011，那麼請問整條指令的編碼是？
解答：
寄存器r6的編號是6，即00110
寄存器r7的編號是7，即00111
數字310對應的二進制數是0000000100110110
addi的操作碼是000011
所以整條指令的編碼就是00110 00111 0000000100110110 000011
-----------------------r6-----r7--------310---------addi------
共32位！
這就是I-type指令在內存裏存在的形式！！~
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2.
R-type
還是以32 bit爲例。一條R-type指令通常包括四個元素：
三個寄存器編號，一個操作碼
31-27位是寄存器rA的編號
26-22位是寄存器rB的編號
21-17位是寄存器rC(一般來說這個是目標寄存器)的編號
16-6位是OPX，是操作碼
5-0位。。你當它沒用吧，寫上000000就好 = =
例子：
彙編指令 add r10,r9,r8是典型的R-type指令。它表示把寄存器r9,r8裏的數加起來，然後把結果寫入寄存器r10(目標寄存器)。若規定add運算的操作碼爲00000011111，請問整條指令的編碼是？
解答：
寄存器r10的編號是10，即01010
寄存器r9的編號是9，即01001
寄存器r8的編號是8，即01000
add運算操作碼是00000011111
OP = 000000
所以整條指令的二進制編碼是01001 01000 01010 00000011111 000000
---------------------------r9-----r8---r10------add-------OP
共32位！
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3.
J-Type
一條32bit的J-Type指令包含兩個元素：
一個26位的數字(通常是內存地址)和一個6位的操作碼
31-6位是數字
5-0位是操作碼
例子：
彙編指令 call ROUTINE_3是典型的J-Type指令，它表示該指令執行完畢後CPU將從ROUTINE_3開始的內存地址讀取並執行其他指令。若ROUTINE_3開頭指令的內存地址是0x00002b3c，call的操作碼是000000，請問整條指令的二進制編碼是？
解答：
16進制數0x00002b3c = 0000 0000 0000 0000 0010 1011 0011 1101
call操作碼是000000
所以整個指令的編碼是00000000000000000010101100111101 000000
------------------------------ROUTINE_3--------------call--
還是32位！