<?php /** * 概念7~14：系统硬件组成 + CPU 如何执行程序 * ---------------------------------------------------------------------- * 大白话总览（先认识几个零件，下面写代码模拟它们）： * *7. 系统硬件组成：一台电脑=CPU + 主存 + I/O设备，靠「总线」连起来。 *8. 总线(Bus)：电脑里的「公路」，专门搬运数据，一次搬一个「字」(比如8字节)。 *9. I/O设备：电脑和外界的接口——键盘、鼠标、显示器、磁盘。 *10. 主存(Main Memory)：临时仓库(内存条/RAM)。程序运行时，指令和数据都放这。 * 断电就没了。可以按「地址」随机读写。 *11. 处理器(CPU)：电脑的大脑，真正干活的。核心动作就是不停地 * 「取指令 → 译码 → 执行」循环。 *12. 寄存器文件(Register File)：CPU 内部一小撮超快的格子，临时放正在用的数据。 *13. 程序计数器(PC)：一个特殊寄存器，记着「下一条要执行的指令在哪」。 *14. ALU(算术逻辑单元)：CPU 里做加减乘除、与或非这些实际运算的部件。 * * 下面我们写一个「迷你 CPU」，跑一段小程序：计算(2+3)*4， * 让你亲眼看到 PC 怎么走、寄存器怎么变、ALU 怎么算。 */ class MiniComputer{// 概念10：主存——一个大数组，下标就是「地址」 private array$memory=[];// 概念12：寄存器文件——CPU 内部几个超快的小格子（这里给4个：R0~R3） private array$registers=['R0'=>0,'R1'=>0,'R2'=>0,'R3'=>0];// 概念13：程序计数器 PC——指向下一条指令的地址 private int$pc=0;// 概念9：I/O 设备——这里用「显示器」举例，输出就当作显示在屏幕上 private array$screen=[];/** 概念8：总线——CPU 通过总线向主存「要数据 / 写数据」。 * 这里把读写主存的动作单独封装，模拟数据在总线上来回搬。 */ privatefunctionbusRead(int$addr){echo" [总线] CPU 从主存地址$addr读取 → ".($this->memory[$addr]??0)."\n";return$this->memory[$addr]??0;}privatefunctionbusWrite(int$addr,$val): void{echo" [总线] CPU 向主存地址$addr写入 ←$val\n";$this->memory[$addr]=$val;}/** 把程序(一串指令)和数据装进主存 */ publicfunctionload(array$program): void{foreach($programas$addr=>$instruction){$this->memory[$addr]=$instruction;}}/** 概念11：CPU 主循环——经典的「取指 → 译码 → 执行」 */ publicfunctionrun(): void{echo"CPU 开机，从地址 0 开始执行……\n\n";while(isset($this->memory[$this->pc])&&is_array($this->memory[$this->pc])){// ---- 取指(Fetch)：用 PC 的值，去主存把这条指令取回来 ----$instr=$this->memory[$this->pc];echo"PC=$this->pc → 取指: ".$this->fmt($instr)."\n";// ---- 译码(Decode)+ 执行(Execute)----$this->execute($instr);// PC 往前走，指向下一条（除非指令自己改了 PC）$this->pc++;echo" 寄存器现状: ".json_encode($this->registers)."\n\n";}echo"程序结束。显示器输出: ".implode(' ',$this->screen)."\n";}/** 译码+执行：看指令第一个字段(操作码)决定干啥 */ privatefunctionexecute(array$instr): void{$op=$instr[0];switch($op){case'LOAD':// LOAD R, addr —— 从主存读一个值进寄存器[,$reg,$addr]=$instr;$this->registers[$reg]=$this->busRead($addr);break;case'ADD':// 概念14：ALU 做加法。ADD Rd, Ra, Rb → Rd=Ra + Rbcase'MUL':// 概念14：ALU 做乘法[,$rd,$ra,$rb]=$instr;$a=$this->registers[$ra];$b=$this->registers[$rb];$result=($op==='ADD')?$a+$b:$a*$b;echo" [ALU]$a".($op==='ADD'?'+':'*')."$b=$result\n";$this->registers[$rd]=$result;break;case'STORE':// STORE R, addr —— 把寄存器的值写回主存[,$reg,$addr]=$instr;$this->busWrite($addr,$this->registers[$reg]);break;case'PRINT':// 概念9：把寄存器的值送到 I/O 设备(显示器)[,$reg]=$instr;$val=$this->registers[$reg];echo" [I/O] 把$reg的值 ($val) 送到显示器\n";$this->screen[]=$val;break;}}privatefunctionfmt(array$instr): string{returnimplode(' ',$instr);}}functiondemo_hardware(): void{echosection("概念7~14：硬件组成 + 迷你CPU执行 (2+3)*4");echo"目标：让迷你CPU算出 (2 + 3) * 4 并显示出来。\n";echo"主存里 地址0~4 放指令，地址10~11 放数据(2 和 3)。\n\n";$cpu=new MiniComputer();$cpu->load([// 数据区10=>2,11=>3, // 指令区（程序）—— CPU 从地址0开始一条条执行0=>['LOAD','R0',10], // R0=主存[10]=21=>['LOAD','R1',11], // R1=主存[11]=32=>['ADD','R2','R0','R1'], // R2=R0 + R1=5(ALU 加法)3=>['MUL','R2','R2','R2'], // 故意写错下面会改，占位]);// 上面 MUL 需要个4，重新规整一下程序，演示得更清楚：$cpu=new MiniComputer();$cpu->load([10=>2, // 数据11=>3,12=>4,0=>['LOAD','R0',10], // R0=21=>['LOAD','R1',11], // R1=32=>['LOAD','R3',12], // R3=43=>['ADD','R2','R0','R1'], // R2=2+3=54=>['MUL','R2','R2','R3'], // R2=5*4=205=>['STORE','R2',13], // 把结果20写回主存[13]6=>['PRINT','R2'], // 显示结果]);$cpu->run();echo"\n看明白了吗：\n";echo" PC 像个指挥棒，一条条往下指；\n";echo" 寄存器(R0~R3)是手边的小抽屉，放正在用的数；\n";echo" ALU 负责真正的加法乘法；\n";echo" 数据进出主存全走总线；最后通过 I/O 设备显示出来。\n";}
