世界第一簡單CPU

第1章 CPU的功用1
以電腦處理各種資訊11
電腦的核心是CPU（中央運算處理單元） 14
電腦的五大單元16
CPU的核心是ALU（算術邏輯單元） 22
CPU的運算與判斷25
「資訊」是什麼？ 30
數位資訊與類比資訊的差異32

第2章  數位運算35
電腦的世界採用二進數36
「0與1」是相反的狀態37
十進數與二進數38
二進數的數值表示40
定點數與浮點數42
二進數的加法與減法44
邏輯運算是什麼？ 48
IC內含邏輯電路48
三大基本電路（AND、OR、NOT） 51
真值表、文氏圖53
AND電路、OR電路、NOT電路的整理55
其他的基本電路（NAND、NOR、EXOR） 57
NAND、NOR、EXOR電路的整理58
第摩根定律60
運算電路62
加法電路62
半加法器64
全加法器、漣波進位加法器66
漣波進位加法器和進位預看加法器68
記憶電路70
必備的記憶電路70
記憶電路的基礎──正反器74
RS正反器76
D正反器與時脈訊號78
T正反器與計數器81
最近的電路設計是什麼？（CAD、FPGA） 85

第3章  CPU的構造87
記憶體與CPU的相關知識88
記憶體的位址分配89
資料的通道：匯流排92
匯流排寬度與位元數94
R／W控制與I／O控制98
指令由運算元和指令碼構成101
運算所需的暫存器103
CPU處理指令的步驟106
傳統CPU的構造106
CPU處理指令的步驟107
以程式計數器改變指令112
各種記憶單元115
硬體和記憶體的比較116
RAM領域、ROM領域與I／O領域119
中斷是什麼？ 122
中斷也是種功能122
堆疊與堆疊指標126
中斷的優先度128
記憶體的分類132
I／O埠與GPU 133
時脈頻率與準確度134
時脈產生器135
計時器中斷136
重置的動作138
判定CPU效能的指標（FLOPS值） 139

第4章  運算指令141
指令的種類142
指令有很多種類144
算術運算、邏輯運算的指令146
移位是什麼？ 147
可表示負數的正負號位元149
邏輯移位與算術移位151
循環移位（迴轉移位） 154
資料傳輸的指令155
輸入輸出的指令156
分歧指令157
分歧指令、跳躍指令與跨越指令159
條件判斷和狀態旗標160
「分歧指令」和「條件判斷」的組合163
運算元的種類164
運算元的數量164
運算元的各種形式167
即值處理168
位址參照169
定址法170
ALU的運算機制178
探索ALU的內部178
串列傳輸與並列傳輸187
基本暫存器的整理188
基本狀態旗標的整理190
休眠指令192

第5章  程式193
組合語言與高階語言194
組合語言是什麼？ 196
組合語言和高階語言的特徵198
程式和原始碼的差異203
程式的基本知識204
條件判斷和跳躍的功能204
想要讓電腦做什麼事？ 208
程式保存在哪裡？ 212
程式在動作前的執行流向213
第6 章  微控器215
微控器是什麼？ 216
許多產品都有微控器217
微控器的功能218
微控器的構造223
DSP是什麼？ 226
DSP和乘積累加運算228
產業機器的應用229
尾聲231
〈最近的CPU趨勢〉242
索引245
作者介紹249

序

　　一九五○年代網路開始普及後，IT技術逐漸受人重視，而IT技術的核心就是稱為CPU（中央運算處理單元）的半導體零件。邁入二十一世紀，電路設計技術與製造技術的躍進，使CPU得以高速化、小型化，廣泛應用於生活週遭的電器產品，例如電腦、智慧型手機、平板裝置，此外，冷氣、冰箱、洗衣機等白色家電1也都運用了CPU。

　　電腦等裝置的CPU具有多功能，但本書將不解說過於艱深的概念，因此本書不介紹近年的研究主流之一——電腦構成（Computer Architecture）。

　　然而，不論科技如何進步，只要掌握CPU的原理、初期CPU的基礎概念，即可瞭解CPU是什麼，以及程式的運作。舉例來說，我們已習慣以汽車代步，但幾乎沒有人能夠說明為什麼汽車可以移動，也就是說，很少人知道引擎的運作原理與動力傳導機制。據說一九五○年代的駕照考試會出關於引擎構造的題目，但這種考題早已不列入出題範圍。由此可知，現在想瞭解引擎構造等相關知識的人，好奇心真的很旺盛。

　　同樣的，我認為，學習現在已完全融入我們生活中的CPU的運作原理，不只可以滿足好奇心，也可訓練思考，因此本書想向讀者介紹CPU。

　　本書得以出版，必須感謝將內容改編成有趣故事的office sawa澤田佐和子小姐，以及作畫的十 高志先生，感謝他們的大力協助。
 
　　1 家電界把傳統家電分為三類：替人類做家務的白色家電、提供娛樂的黑色家電，以及輸出功率小的小家電。