1、指令周期
計算機每執行一條指令的過程，可以分解成這樣幾個步驟。
（1）.Fetch（取得指令），也就是從 PC 寄存器里找到對應的指令地址，根據指令地址從內存里把具體的指令，加載到指令寄存器中，然后把 PC 寄存器自增，好在未來執行下一條指令。
（2）.Decode（指令譯碼），也就是根據指令寄存器里面的指令，解析成要進行什么樣的操作，是 R、I、J 中的哪一種指令，具體要操作哪些寄存器、數據或者內存地址。
（3）.Execute（執行指令），也就是實際運行對應的 R、I、J 這些特定的指令，進行算術邏輯操作、數據傳輸或者直接的地址跳轉。
（4）. 重復進行 1～3 的步驟。
這樣的步驟，其實就是一個永不停歇的“Fetch - Decode - Execute”的循環，這個循環稱之為指令周期（Instruction Cycle）。
在取指令的階段，指令是放在存儲器里的，通過 PC 寄存器和指令寄存器取出指令的過程，是由控制器操作的。指令的解碼過程，也是由控制器進行的。一旦到了執行指令階段，無論是進行算術操作、邏輯操作的 R 型指令，還是進行數據傳輸、條件分支的 I 型指令，都是由算術邏輯單元（ALU）操作的，也就是由運算器處理的。一個簡單的無條件地址跳轉，可以直接在控制器里面完成，不需要用到運算器。
2、數據通路
數據通路就是處理器單元。它通常由兩類原件組成。
第一類叫操作元件，也叫組合邏輯元件（Combinational Element），就是 ALU。功能是在特定的輸入下，根據下面的組合電路的邏輯，生成特定的輸出。
第二類叫存儲元件，也有叫狀態元件（State Element）的。比如計算過程中需要用到的寄存器，無論是通用寄存器還是狀態寄存器，其實都是存儲元件。
通過數據總線的方式，把它們連接起來，就可以完成數據的存儲、處理和傳輸了，這就是所謂的建立數據通路。
3、控制器
可以看成只是機械地重復“Fetch - Decode - Execute“循環中的前兩個步驟，然后把最后一個步驟，通過控制器產生的控制信號，交給 ALU 去處理。
4、CPU需要的硬件電路
1）ALU 這樣的組合邏輯電路，實際就是一個沒有狀態的，根據輸入計算輸出結果的第一個電路。
2) 用來存儲數據的鎖存器和 D 觸發器電路，能夠進行狀態讀寫的電路元件，也就是寄存器。這個電路能夠存儲到上一次的計算結果。這個計算結果並不一定要立刻拿到電路的下游去使用，但是可以在需要的時候拿出來用。常見的能夠進行狀態讀寫的電路，就有鎖存器、D 觸發器電路。
3）用來實現 PC 寄存器的計數器電路，需要有一個“自動”的電路，按照固定的周期，不停地實現 PC 寄存器自增，自動地去執行“Fetch - Decode - Execute“的步驟。
4）用來解碼和尋址的譯碼器電路，無論是對於指令進行 decode，還是對於拿到的內存地址去獲取對應的數據或者指令，都需要通過一個電路找到對應的數據。
這四類電路，通過各種方式組合在一起，就能最終組成功能強大的 CPU 了。
5、時序邏輯電路
1）實現自動運行。時序電路接通之后可以不停地開啟和關閉開關，進入一個自動運行的狀態。
2）通過時序電路實現的觸發器，能把計算結果存儲在特定的電路里面，而不是像組合邏輯電路那樣，一旦輸入有任何改變，對應的輸出也會改變。
3）解決了各個功能按照時序協調的問題。無論是程序實現的軟件指令，還是到硬件層面，各種指令的操作都有先后的順序要求。時序電路使得不同的事件按照時間順序發生。
6、反饋電路
看圖，合上開關 A，磁性線圈就會通電，產生磁性，開關 B 就會從合上變成斷開。一旦這個開關斷開了，電路就中斷了，磁性線圈就失去了磁性。於是，開關 B 又會彈回到合上的狀態。這樣一來，電路接通，線圈又有了磁性。電路就會來回不斷地在開啟、關閉這兩個狀態中切換。這個不斷切換的過程，對於下游電路來說，就是不斷地產生新的 0 和 1 這樣的信號。如果在下游的電路上接上一個燈泡，就會發現這個燈泡在亮和暗之間不停切換。這個按照固定的周期不斷在 0 和 1 之間切換的信號，就是時鍾信號（Clock Signal）。這種電路，其實就相當於把電路的輸出信號作為輸入信號，再回到當前電路。這樣的電路構造方式，叫作反饋電路（Feedback Circuit）。
7、程序計數器
時鍾信號提供定時的輸入； D 型觸發器可以在時鍾信號控制的時間點寫入數據。把這兩個功能組合起來，就可以實現一個自動的計數器了。加法器的兩個輸入，一個始終設置成 1，另外一個來自於一個 D 型觸發器 A。加法器的輸出結果，寫到這個 D 型觸發器 A 里面。於是，D 型觸發器里面的數據就會在固定的時鍾信號為 1 的時候更新一次。這樣就有了每過一個時鍾周期，就能固定自增 1 的自動計數器了。這個自動計數器，可以拿來當PC 寄存器。也就是程序計數器（Program Counter）。
每次自增之后，可以去對應的 D 型觸發器里面取值，這也是下一條需要運行指令的地址。加法計數、內存取值，乃至后面的命令執行，最終其實都是由時鍾信號，來控制執行時間點和先后順序的，這也是需要時序電路最核心的原因。
8、譯碼器
來完成“尋址”的電路，就是譯碼器。在現在實際使用的計算機里面，內存所使用的 DRAM，並不是通過上面的 D 型觸發器來實現的，而是使用了一種 CMOS 芯片來實現的。還是可以把內存芯片，當成是很多個連在一起的 D 型觸發器來實現的。
通過一個反相器、兩個與門和一個或門，就可以實現一個 2-1 選擇器。通過控制反相器的輸入是 0 還是 1，能夠決定對應的輸出信號，是和地址 A，還是地址 B 的輸入信號一致。譯碼器的本質，就是從輸入的多個位的信號中，根據一定的開關和電路組合，選擇出自己想要的信號。
9、構造CPU過程
D 觸發器、自動計數以及譯碼器、 ALU，湊齊了一個拼裝一個 CPU 必須要的零件了。
1）自動計數器，這個自動計數器會隨着時鍾主頻不斷地自增，來作為 PC 寄存器。
2）譯碼器，連在計數器后面。譯碼器還要同時連着內存（通過大量的 D 觸發器組成的）。
3）自動計數器會隨着時鍾主頻不斷自增，從譯碼器當中，找到對應的計數器所表示的內存地址，然后讀取出里面的 CPU 指令。
4）讀取出來的 CPU 指令會通過CPU 時鍾控制，寫入到一個由 D 觸發器組成的寄存器，也就是指令寄存器當中。
5）在指令寄存器后面，再跟一個譯碼器。這個譯碼器是把拿到的指令，解析成 opcode 和對應的操作數。
6）opcode 和操作數，對應的輸出線路就要連接 ALU，開始進行各種算術和邏輯運算。對應的計算結果，則會再寫回到 D 觸發器組成的寄存器或者內存當中。
