数据操作DATA MANIPULATION

操纵数据的设备是 中央处理器（CPU, Central Processing Unit），它由三部分组成：运算器、控制器和寄存器组。CPU 通过总线与主存储器相连，程序与数据都存放在主存中。

一次加法的完整旅程Example: Adding Two Values

“把主存中两个数相加、结果存回主存”，CPU 要走 5 步，恰好体现三大部件的分工：

存储程序概念Stored-program Concept

缓存与存储层次Cache & Memory Hierarchy

CPU 速度远高于主存，因此设置高速缓存（cache）：CPU 把即将用到的数据预先复制到 cache 中，读写优先命中 cache，大大减少等待。

补充阅读：维基百科 “Memory hierarchy（存储器层次结构）” 词条对本图有详尽展开。CPU 做在单块芯片上时称为微处理器（microprocessor），它插在主板（motherboard）上。

机器语言（machine language）是 CPU 能直接识别和执行的指令集合。每条机器指令（machine instruction）由两部分组成：操作码（op-code，指明做什么操作）＋操作数（operand，指明对“谁”操作）。

两种设计哲学RISC vs CISC

机器指令的三大类Three Classes of Instructions

Vole：一台教学用模型机The Vole Machine

教材附录 C 定义了一台极简但五脏俱全的模型机 Vole：

机器周期The Machine Cycle

CPU 执行程序，就是不停重复一个三步循环：取指（fetch）→ 译码（decode）→ 执行（execute），直到遇到 HALT。

逐周期追踪一段程序Tracing a Program

把这段 Vole 程序装入主存 0xA0 处，并把 PC 初始化为 0xA0：

执行过程中 PC 的变化是 A0→A2→A4→A6→A8：每取出一条 2 字节指令，PC 就加 2，指向下一条。这就是“程序顺序执行”的机械本质。

多快才算快Clock & Benchmark

机器周期的节拍由时钟（clock）驱动，频率单位 Hz：1 GHz = 每秒 10⁹ 个节拍。但“主频高 ≠ 一定快”，因此用基准测试（benchmark）：让不同机器跑同一组有代表性的程序，比较实际用时。

按位运算（bitwise operation）把两个位模式逐位套用布尔运算：AND（与）、OR（或）、XOR（异或，不同为 1）。它们是位模式的“手术刀”。

Vole 中对应指令：OR=0x7、AND=0x8、XOR=0x9。

掩码：位运算的三大用途Masks

精心设计的第二个操作数叫掩码（mask），三种运算各有绝活：

移位与循环移位Shift & Rotation

算术运算的实现Arithmetic

加法由 ALU 中的加法电路完成；减法 = 加法 + 取负（补码世界里不需要专门的减法电路）。注意 Vole 有两条“加法”：0x5 用二进制补码解释操作数，0x6 用浮点记数法解释——同一位模式，不同电路、不同含义（呼应第 1 章！）。

CPU 怎样与控制器打交道Memory-mapped I/O & DMA

握手与状态字Handshaking & Status Word

设备速度千差万别，主机与控制器之间通过握手（handshaking）协调步调：双方交换“准备好了吗 / 完成了”等信号。状态字（status word）是控制器寄存器中的一组位，每位报告一件事（如“打印机缺纸”“数据已就绪”），CPU 读取它来决定下一步。

并行 vs 串行Parallel vs Serial Communication

高级语言把本章的底层操作“翻译”成人类友好的写法。Python 中用 0b 前缀直接书写二进制，用 & | ^ 做按位运算。

# 二进制字面量：0b 前缀
x = 0b00110011      # 等价于十进制 51
mask = 0b00001111  # 掩码：低 4 位
print(x & mask)       # AND 清零高 4 位 → 0b00000011 → 3

# 十进制视角下的位运算（教材示例）
print(5 ^ 4)   # 1   （0101 XOR 0100 = 0001）
print(5 | 4)   # 5   （0101 OR  0100 = 0101）
print(5 & 4)   # 4   （0101 AND 0100 = 0100）
print(bin(12))  # '0b1100' ← bin() 把整数显示为二进制

控制结构：if 与 whileControl Structures

if waterLevel > 50:
    drainWater()        # 条件成立才执行（对应机器的“条件跳转”）

while waterLevel > 50:
    drainWater()        # 反复执行，直到条件不成立

注意：if 与 while 语法几乎一样，语义却不同——if 只做一次判断，while 是循环。它们最终都被翻译成 2.3 节的条件跳转 JUMP。

函数：给操作起个名字Functions

import math            # 引入数学库（现成的“工具箱”）
def hypotenuse(a, b):  # 求直角三角形斜边：√(a²+b²)
    return math.sqrt(a**2 + b**2)
print(hypotenuse(3, 4))   # 5.0

输入的类型陷阱The input() Trap

echo = input("Echo: ")   # input() 永远返回字符串 str！
# Echo: Hello
print(echo * 3)            # HelloHelloHello  ← 字符串“乘法”是重复

age = input("Age: ")
age + 1                    # TypeError: can only concatenate str (not "int") to str
age = int(age)             # 用 int() 转换；int(3.9) → 3（直接截断小数）

多处理器与多核Parallel Processing

并行处理（parallel processing）：多台/多个处理单元同时工作。今天的 CPU 多为多核（multi-core）芯片——一块芯片里集成多个完整处理单元；再把 CPU、GPU、控制器等都集成到一块芯片上，就是片上系统（SoC, System on a Chip，手机处理器的主流形态）。

📖 下一章预告：第 3 章 操作系统 Operating Systems——谁来管理这台会执行程序的机器？