邏輯閘是電路的基本元件，AND, OR, NOT, XOR 這四個積木搭建成具有基礎運算能力的加法器、乘法器，而後一個重要的電路元件—正反器誕生提供資料儲存的功能，至此，計算機的功能才算完整。

核心運算由 ALU 算術邏輯單元處理，負責加減乘運算（除法被拆成多個乘法和減法的組成），與控制電路搭配構成最簡單的處理器，也就是現今的CPU的雛型。

ALU 本身沒有儲存功能，必須由 Register 暫存器保存資料，而運算後的資料多半會被送往 Memory 保存下來。因為暫存器是珍貴的儲存空間，存取速度快、但數量不多。一般執行的指令會存在 Instruction Memory 等待被讀取，而指令位址被放在 Program Counter 程式暫存器裡面（簡稱PC，特殊暫存器）。

控制電路一般包含以下項目：

1. ALU op 控制 ALU 執行何種運算？
2. MemRead 是否從記憶體讀取？
3. RegWrite 結果是否寫入暫存器？
4. MemWrite 結果是否寫入記憶體？
5. Branch/PC src 分支，根據運算結果決定是否執行分支指令？
6. ALU src 是否採用擴充的32bit指令作為運算元？
7. Reg Dst 控制寫入暫存器的來源
8. Mem to Reg 是否從記憶體轉送資料到暫存器？

//以上內容出自《計算機組織與設計》[1] ，該書用來講解的電路有可能和目前的實際電路有出入，請注意。

圖片來源

datapath 電路佈線可以編碼成指令碼，所以計算機的指令跟電路佈線是息息相關的。雖然還有許多細節沒有談到，但可以了解到資料和指令都是存放在記憶體內，當指令傳送到處理器後，經過解碼轉換成執行的指令，資料則是存放在另一個記憶體，作為參數被暫存器存取/寫入。

x86架構的暫存器[^2] 分別有：AX, BX, CX, DX, SI, DI, BP, SP, CS, DS, SS, ES, IP,FLAG 這些暫存器。架構大致上和前面提到的差不多，IP就是存放指令位址的暫存器，FLAG是旗標暫存器，通常為條件跳轉所需的資料來源，BP, SP 這兩組暫存器的資料是函數呼叫的返回位址。詳細說可以參照註解連結。

指令集的大致上分成幾類功能：

1. 資料搬移，MOV 家族
2. 運算，代表指令：ADD, SUB, MUX, AND, OR, NOT, XOR
3. 分支，JMP 家族
4. 堆疊操作，PUSH, POP
5. 函數呼叫，CALL, RET
6. 系統中斷，INT

總結：

1. 處理器運算過程，經過載入代碼、解碼、執行、記憶體存取、寫回暫存器
2. 資料在處理器沒有名字，以記憶體位址存在
3. 函式呼叫時，處理器會把當下指令位址存入堆疊，函數呼叫結束後，跳回原本的位址

這篇花了比想像中還要長的時間寫，文章若有疏漏，還懇請指點，謝謝

[1] "Computer Organization and Design - The Hardware/Software Interface ARM Edition" David A. Patterson, John L. Hennessy

[2] X86 CPU 暫存器 Register 大全

參考資料：計算機組織結構 - HackMD