Crash Course CS 学习笔记 Class6-9
6.寄存器与内存(register&RAM)
如何存住一bit的信息
考虑将逻辑门的输出联回输入端,or门可以锁住1，and门可以锁住0(注意这里的大前提是电源联通，电源不联通不可能锁住1)
将两个门连接起来，得到锁存器
set与reset分别代表输入1，0，当set与reset均为0时，电路会一直输出锁住的值，实现保存1bit的信息
这个电路被称为锁存器，因为它能锁住1bit的信息，放入数据(set,reset)称为写入，输出数据(output)称为读取
设置和复位可通过一条线加NOT门实现，在此基础上增加一条线控制允许数据写入，实现门锁
将8个锁存器并排连接，可以实现存储8位数字，即8位寄存器(8 bits-register)，8为位宽
16x16门锁矩阵
若通过并排连接的方式实现256个寄存器连接，需要线数过多，考虑以矩阵形式排列锁存器，每一行和每一列分别用一根线连接，形成16x16的锁存器网格
通过开启指定行与列的线，可以实现定向选择寄存器，并且因为其他寄存器不会被选择，所以允许写入线和写入，读取线可以共同一条，所需线为16+16+3=35根，大大减少线的数量
行数和列数转换为二进制后拼接在一起可以作为位置码，通过多路复用器对位置码进行解码即可进行指定寄存器
每一个256位内存只能根据地址码进行1位的存储，因此使用8个256位内存，给所有内存相同地址，将1个八位数的每一位分别存储在相应的256内存中，实现存储一个8位二进制数。
这里一共能够存储256个8位二进制数，即256bytes
7.中央处理器(CPU)
cpu 的工作流程为取指-解码-执行
首先根据指令地址寄存器中保存的地址从内存中取出对应的指令(00000000->00101110)，并保存到指令寄存器中 ->取指
然后将指令寄存器中的指令输入解码器进行解码，解码器位一系列逻辑电路构成，可以识别操作码
指令由8位数字构成，前四位为操作码，后四位为该操作涉及的数据在内存中的地址
例子中0010为将数据放入A寄存器，数据位于内存中14的位置，操作码输入逻辑电路，激活识别LOAD_A的电路->解码
LOAD_A激活内存的读取线，从内存14的位置读出数据00000011(3)，并且也激活寄存器A的允许写入线，，将3写入寄存器A中。最后指令地址解码器中的地址+1->执行
将解码器，指令寄存器与指令地址寄存器整合位控制单元，控制单元是cpu的指挥中心
当执行到内存3的指令时，我们发现是add指令，将b+a的结果赋给a，这时要将ALU连入电路
取指，解码后，控制单元启用寄存器B作为ALU的第一个输入，启用寄存器A作为ALU的第二个输入，ALU计算a+b的值后，将值输入控制单元，再由控制单元将值写入寄存器A中，实现add
在cpu中，通过时钟控制步骤的进行，取指->解码->执行所需的时间被称为时钟速度。提高时钟速度称为超频，降低时钟速度称为降频
8.指令与程序
LOAD_A 将数据保存在A寄存器中
LOAD_B 将数据保存在B寄存器中
ADD B A 计算A+B的值并将值保存到A寄存器中
STORE_A 将A寄存器的数据写入内存
SUB B A 计算A-B的值并将值保存到A寄存器中
JUMP 跳转至另一指令
JUMP_NEG 若结果ALU输出负数标志则跳转至另一指令
HALT 停止运行
实现JUMP跳转指令的方式是将指令后四位写入指令地址寄存器，例子中的JUMP会永远跳回ADD指令，出现死循环
加入JUMP_NEG后，当程序执行到第二次时，ALU做1-5=-4，此时输出负数指令，激活下一条命令JUMP_NEG，从而跳出循环。图中的程序实现了取余
实际中指令所对应的地址不止是4位，一种是增加指令长度，让指令本身加长，另一种是可变指令长度，指令后对应的地址存放的不再是数据的地址，而是存放 数据的地址 的地址(立即值)，甚至可以一直访问下去以获取任意地址长度，但是这样会使寻址变得麻烦
9.高级CPU设计
(1)在硬件层面设计指令取代程序计算(例如除法)
SSE等指令集
(2)为CPU增加缓存(cache)
RAM在CPU的外部，从RAM中读取数据要消耗非常多的时钟周期，因此在CPU内部增加了缓存
每次从RAM中读取一批指令到缓存中，CPU从缓存中读取指令的速度非常快，从而提高运行速度
当缓存满了而又要读新指令时，系统会对比缓存与RAM中的数据是否一致，若不一致则将指令记入脏位中，等待同步写入RAM中
(3)指令流水线与并行编程
并行需要考虑数据冲突与指令依赖，在现代CPU中有较为成熟的分支预测系统
(4)超标量处理器
利用其他空闲电路同时进行操作
(5)多核处理器
