CPU由指令加计算两部分组成，
指令：我们写的代码是怎么变成一条条机器能够理解的指令；
计算：也就是数据的二进制表现（定点数、浮点数），加法和乘法的实现，通过什么电路（半加器、全加器）。
只有把“指令”和“计算”这两部分功能连通起来，也就是建立数据通路，我们才能构成一个真正完整的 CPU。
指令周期（Instruction Cycle）
计算机每执行一条指令的过程，可以分解成这样几个步骤：
- Fetch（取得指令），也就是从 PC 寄存器里找到对应的指令地址，根据指令地址从内存里把具体的指令，加载到指令寄存器中，然后把 PC 寄存器自增，好在未来执行下一条指令。
- Decode（指令译码），也就是根据指令寄存器里面的指令，解析成要进行什么样的操作，是 R、I、J 中的哪一种指令，具体要操作哪些寄存器、数据或者内存地址。
- Execute（执行指令），也就是实际运行对应的 R、I、J 这些特定的指令，进行算术逻辑操作、数据传输或者直接的地址跳转。
- 重复进行 1～3 的步骤。
这样的步骤，就构成了永不停歇的“Fetch - Decode - Execute”的循环，我们把这个循环称之为指令周期（Instruction Cycle）。
1.指令存放于存储器中（PC寄存器、指令寄存器）
2.控制器从寄存器中取出指令，并对指令进行解码
3.运算器（算术逻辑单元ALU）负责指令的执行，如果是简单的无条件跳转，不需要计算的，则直接由运算器解决
除了指令周期（Instruction Cycle），CPU中还有其他周期：
- 机器周期（Machine Cycle）
- CPU周期（CPU Cycle）：CPU 内部的操作速度很快，但是访问内存的速度却要慢很多。每一条指令都需要从内存里面加载而来，所以我们一般把从内存里面读取一条指令的最短时间，称为 CPU 周期。
- 时钟周期（Clock Cycle）：就是CPU的主频如3.5GHZ，一个 CPU 周期，通常会由几个时钟周期累积起来。一个 CPU 周期的时间，就是这几个 Clock Cycle 的总和。
在一个指令周期中，取出指令，至少需要一个 CPU 周期，执行指令，也至少需要一个CPU周期，复杂的指令就需要更多的CPU周期（>=2）,一个指令周期包含多个CPU周期，一个CPU周期包含多个时钟周期。
建立数据通路
数据通路就是我们的处理器单元。它通常由两类原件组成：
- 操作元件，也叫组合逻辑元件（Combinational Element），其实就是我们的 ALU。在前面讲 ALU 的过程中可以看到，它们的功能就是在特定的输入下，根据下面的组合电路的逻辑，生成特定的输出。
- 存储元件，也有叫状态元件（State Element）的。比如我们在计算过程中需要用到的寄存器，无论是通用寄存器还是状态寄存器，其实都是存储元件。
通过数据总线的方式，把它们连接起来，就可以完成数据的存储、处理和传输了，这就是所谓的建立数据通路了。
此时还需要控制器作为算术逻辑单元和寄存器的中间桥梁，它的逻辑就没那么复杂了。我们可以把它看成只是机械地重复“Fetch - Decode - Execute“循环中的前两个步骤，然后把最后一个步骤，通过控制器产生的控制信号，交给 ALU 去处理。
但实际上控制器的电路特别复杂：
一方面，所有 CPU 支持的指令，都会在控制器里面，被解析成不同的输出信号。我们之前说过，现在的 Intel CPU 支持 2000 个以上的指令。这意味着，控制器输出的控制信号，至少有 2000 种不同的组合。
运算器里的 ALU 和各种组合逻辑电路，可以认为是一个固定功能的电路。控制器“翻译”出来的，就是不同的控制信号。这些控制信号，告诉 ALU 去做不同的计算。可以说正是控制器的存在，让我们可以“编程”来实现功能，能让我们的“存储程序型计算机”名副其实。
指令译码器将输入的机器码，解析成不同的操作码和操作数，然后传输给 ALU 进行计算
CPU 所需要的硬件电路
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自然是我们之前已经讲解过的 ALU 了，它实际就是一个没有状态的，根据输入计算输出结果的第一个电路。
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我们需要有一个能够进行状态读写的电路元件，也就是我们的寄存器。我们需要有一个电路，能够存储到上一次的计算结果。这个计算结果并不一定要立刻拿到电路的下游去使用，但是可以在需要的时候拿出来用。常见的能够进行状态读写的电路，就有锁存器（Latch），以及我们后面要讲的 D 触发器（Data/Delay Flip-flop）的电路。
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我们需要有一个“自动”的电路，按照固定的周期，不停地实现 PC 寄存器自增，自动地去执行“Fetch - Decode - Execute“的步骤。我们的程序执行，并不是靠人去拨动开关来执行指令的。我们希望有一个“自动”的电路，不停地去一条条执行指令。
我们看似写了各种复杂的高级程序进行各种函数调用、条件跳转。其实只是修改 PC 寄存器里面的地址。PC 寄存器里面的地址一修改，计算机就可以加载一条指令新指令，往下运行。实际上，PC 寄存器还有一个名字，就叫作程序计数器。顾名思义，就是随着时间变化，不断去数数。数的数字变大了，就去执行一条新指令。所以，我们需要的就是一个自动数数的电路。
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我们需要有一个“译码”的电路。无论是对于指令进行 decode，还是对于拿到的内存地址去获取对应的数据或者指令，我们都需要通过一个电路找到对应的数据。这个对应的自然就是“译码器”的电路了。
需要的 4 种基本电路，它们分别是，ALU 这样的组合逻辑电路、用来存储数据的锁存器和 D 触发器电路、用来实现 PC 寄存器的计数器电路，以及用来解码和寻址的译码器电路。
虽然 CPU 已经是由几十亿个晶体管组成的及其复杂的电路，但是它仍然是由这样一个个基本功能的电路组成的。只要搞清楚这些电路的运作原理，你自然也就弄明白了 CPU 的工作原理。
为什么 CPU 还会有满载运行和 Idle 闲置的状态呢？
CPU在空闲状态就会停止执行，具体来说就是切断时钟信号，CPU的主频就会瞬间降低为0，功耗也会瞬间降低为0。由于这个空闲状态是十分短暂的，所以在任务管理器里面也只会看到CPU频率下降，不会看到降低为0。当CPU从空闲状态中恢复时，就会接通时钟信号，这样CPU频率就会上升。所以会在任务管理器里面看到CPU的频率起伏变化。
同时，程序计数器一直在变化，意味着满载，如果持续不变就是idle。CPU密集型任务需要CPU大量计算的任务，这个时候CPU负载就很高，IO密集型任务，CPU一直在等待IO，就会有idle。