**运算器 + 控制器（合称 CPU）**：是计算机的硬件核心，负责数据处理、指令执行和系统控制

一、计算机系统硬件组成
计算机硬件由五大基本部件构成：

1. 运算器 + 控制器（合称 CPU）：是计算机的硬件核心，负责数据处理、指令执行和系统控制。
2. 存储器：用于存储程序和数据，分为：
   • 内部存储器（内存）：访问速度快、容量较小，用于临时存放正在运行的程序和数据。
   • 外部存储器（外存）：如硬盘、U盘等，容量大、速度慢，用于长期保存信息。
3. 输入设备：如键盘、鼠标、扫描仪等，将用户指令或数据传入计算机。
4. 输出设备：如显示器、打印机、音响等，将计算机处理结果呈现给用户。
5. 总线系统（虽未明确列出，但实际连接各部件）：传输数据、地址和控制信号。

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二、CPU 的功能与组成

1. CPU 的主要功能：

   • 程序控制：通过程序计数器（PC）控制指令的执行顺序。
   • 操作控制：控制器发出控制信号，协调各个部件完成指令操作。
   • 时间控制：确保各操作按正确的时序进行（如取指、译码、执行）。
   • 数据处理：利用 ALU 完成算术与逻辑运算，是核心计算能力。
   • 中断处理：响应外部事件（如键盘输入）或内部异常（如除零错误），暂停当前任务转而处理紧急事务。

2. CPU 的核心组成部分：

部件	子组件及功能说明
运算器	- ALU（算术逻辑单元）：执行加减、与或非等运算。 - 累加寄存器 AC：作为运算过程中的主工作寄存器。 - 数据缓冲寄存器 DR：暂存从内存读出或写入的数据，起缓冲作用。 - 状态条件寄存器 PSW：记录运算结果的状态（如进位标志 C、零标志 Z、溢出标志 V 等）。
控制器	- 指令寄存器 IR：保存当前正在执行的指令。 - 程序计数器 PC：指向下一条要执行的指令地址。 - 地址寄存器 AR：保存当前 CPU 要访问的内存地址。 - 指令译码器 ID：分析指令的操作码，生成相应的控制信号序列。
寄存器组	包括通用寄存器（供程序员/编译器灵活使用）和专用寄存器（如 SP 栈指针、BP 基址指针等），提高访问速度。

3. 多核 CPU
   • 定义：在一个物理 CPU 芯片中集成两个或多个独立的处理器核心，每个核心拥有自己的运算器、控制器和一级缓存（L1 Cache），共享二级甚至三级缓存。
   • 主流厂商实现方式：
     • AMD：采用单 Die 多核设计，核心间通过高速互连架构（如 Infinity Fabric）通信，集成度高、延迟低。
     • Intel：早期采用“双芯封装”技术（多个芯片封装在一起），现代也转向单 Die 多核。
   • 优势：真正实现并行计算，显著提升多任务、多线程应用性能。
   • 发挥性能的前提：
     • 操作系统需支持多线程调度；
     • 应用程序需设计为可并行化结构（如使用多线程编程模型）。

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三、数据表示（机器数）

在计算机内部，所有数据均以 二进制形式 表示，称为“机器数”。主要包括以下类型：

1. 无符号数

   • 所有位都表示数值大小，仅能表示非负整数（0 及正数）。
   • 例如：8 位无符号数范围是 0 ~ 255（即 00000000₂ ~ 11111111₂）。

2. 带符号数

   • 最高位为 符号位：0 表示正数，1 表示负数。
   • 常见编码方式：
     • 原码：符号位 + 数值的绝对值。
       • 缺点：+0 和 -0 有两种表示（如 8 位下：+0=00000000，-0=10000000），不利于运算。
     • 反码：
       • 正数反码 = 原码；
       • 负数反码 = 符号位不变，其余各位取反。
       • 示例：-5 的 8 位原码为 10000101 → 反码为 11111010。
     • 补码（最常用）：
       • 正数补码 = 原码；
       • 负数补码 = 反码 + 1。
       • 优点：统一了加减法运算（减法可用加法实现），且只有一个零（解决了 ±0 问题）。
       • 示例：-5 的补码 = 11111011。
     • 移码：常用于浮点数的阶码表示，便于比较大小（尤其判断指数正负）。

注：现代计算机普遍采用 补码 来表示带符号整数，简化硬件设计。

# 示例：Python 中查看负数的 8 位补码表示
def get_8bit_complement(n):
    if n >= 0:
        return format(n, '08b')
    else:
        return format((1 << 8) + n, '08b')  # 补码计算：2^8 + (-n)

print(get_8bit_complement(-5))  # 输出: 11111011

程序计数器（PC） 和 指令寄存器（IR） 是 CPU 控制器中的两个关键寄存器，它们在指令执行过程中扮演不同但密切相关的角色。主要区别如下：

对比项	程序计数器（PC）	指令寄存器（IR）
功能	存放下一条将要执行的指令在内存中的地址。	存放当前正在执行的那条指令的完整内容（操作码 + 地址码）。
作用阶段	取指前：提供地址以从内存中取出指令。	取指后：用于译码和执行当前指令。
更新时机	通常在每次取指完成后自动递增（或被跳转指令修改）。	每当一条新指令被取入 CPU 后即被更新。
是否参与控制	控制指令流的顺序（顺序执行或跳转）。	提供给指令译码器（ID），决定需要执行何种操作（如加法、跳转等）。
举例说明	若 PC = 0x1000，则 CPU 将从内存地址 1000H 处读取下一条指令。	假设 IR 中的内容是 0010 1100，译码器会识别出这是“将数据加载到累加器”的指令。

工作流程示意：

1. PC → 地址寄存器（AR） → 访问内存指定地址
2. 内存返回指令 → 数据缓冲寄存器（DR） → 装入 IR
3. IR 提供给指令译码器 → 生成控制信号
4. PC 自动+1（或由跳转指令设置新值）→ 指向下一条指令

✅ 简记口诀：

• PC 管“去哪里取”（地址）
• IR 管“现在做什么”（指令内容）