计算机组成原理-CPU组成

 

1、指令周期

 

   计算机每执行一条指令的过程，可以分解成这样几个步骤。

 

    （1）.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。

 

    （2）.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。

 

    （3）.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。

 

    （4）. 重复进行 1～3 的步骤。

 

    这样的步骤，其实就是一个永不停歇的“Fetch - Decode - Execute”的循环，这个循环称之为指令周期（Instruction Cycle）。

 

    在取指令的阶段，指令是放在存储器里的，通过 PC 寄存器和指令寄存器取出指令的过程，是由控制器操作的。指令的解码过程，也是由控制器进行的。一旦到了执行指令阶段，无论是进行算术操作、逻辑操作的 R 型指令，还是进行数据传输、条件分支的 I 型指令，都是由算术逻辑单元（ALU）操作的，也就是由运算器处理的。一个简单的无条件地址跳转，可以直接在控制器里面完成，不需要用到运算器。

 

 

2、数据通路

 

    数据通路就是处理器单元。它通常由两类原件组成。

 

    第一类叫操作元件，也叫组合逻辑元件（Combinational Element），就是 ALU。功能是在特定的输入下，根据下面的组合电路的逻辑，生成特定的输出。

 

    第二类叫存储元件，也有叫状态元件（State Element）的。比如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。

 

 

3、控制器

 

    可以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。

 

4、CPU需要的硬件电路

 

    1）ALU 这样的组合逻辑电路，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。

 

    2) 用来存储数据的锁存器和 D 触发器电路，能够进行状态读写的电路元件，也就是寄存器。这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、D 触发器电路。

 

    3）用来实现 PC 寄存器的计数器电路，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。

 

    4）用来解码和寻址的译码器电路，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，都需要通过一个电路找到对应的数据。

 

    这四类电路，通过各种方式组合在一起，就能最终组成功能强大的 CPU 了。

 

 

 

5、时序逻辑电路

 

    1）实现自动运行。时序电路接通之后可以不停地开启和关闭开关，进入一个自动运行的状态。

 

    2）通过时序电路实现的触发器，能把计算结果存储在特定的电路里面，而不是像组合逻辑电路那样，一旦输入有任何改变，对应的输出也会改变。

 

    3）解决了各个功能按照时序协调的问题。无论是程序实现的软件指令，还是到硬件层面，各种指令的操作都有先后的顺序要求。时序电路使得不同的事件按照时间顺序发生。

 

 

6、反馈电路

 

   看图，合上开关 A，磁性线圈就会通电，产生磁性，开关 B 就会从合上变成断开。一旦这个开关断开了，电路就中断了，磁性线圈就失去了磁性。于是，开关 B 又会弹回到合上的状态。这样一来，电路接通，线圈又有了磁性。电路就会来回不断地在开启、关闭这两个状态中切换。这个不断切换的过程，对于下游电路来说，就是不断地产生新的 0 和 1 这样的信号。如果在下游的电路上接上一个灯泡，就会发现这个灯泡在亮和暗之间不停切换。这个按照固定的周期不断在 0 和 1 之间切换的信号，就是时钟信号（Clock Signal）。这种电路，其实就相当于把电路的输出信号作为输入信号，再回到当前电路。这样的电路构造方式，叫作反馈电路（Feedback Circuit）。

 

7、程序计数器

 

    时钟信号提供定时的输入； D 型触发器可以在时钟信号控制的时间点写入数据。把这两个功能组合起来，就可以实现一个自动的计数器了。加法器的两个输入，一个始终设置成 1，另外一个来自于一个 D 型触发器 A。加法器的输出结果，写到这个 D 型触发器 A 里面。于是，D 型触发器里面的数据就会在固定的时钟信号为 1 的时候更新一次。这样就有了每过一个时钟周期，就能固定自增 1 的自动计数器了。这个自动计数器，可以拿来当PC 寄存器。也就是程序计数器（Program Counter）。

 

    每次自增之后，可以去对应的 D 型触发器里面取值，这也是下一条需要运行指令的地址。加法计数、内存取值，乃至后面的命令执行，最终其实都是由时钟信号，来控制执行时间点和先后顺序的，这也是需要时序电路最核心的原因。

 

8、译码器

 

   来完成“寻址”的电路，就是译码器。在现在实际使用的计算机里面，内存所使用的 DRAM，并不是通过上面的 D 型触发器来实现的，而是使用了一种 CMOS 芯片来实现的。还是可以把内存芯片，当成是很多个连在一起的 D 型触发器来实现的。

 

 

    通过一个反相器、两个与门和一个或门，就可以实现一个 2-1 选择器。通过控制反相器的输入是 0 还是 1，能够决定对应的输出信号，是和地址 A，还是地址 B 的输入信号一致。译码器的本质，就是从输入的多个位的信号中，根据一定的开关和电路组合，选择出自己想要的信号。

 

9、构造CPU过程

  D 触发器、自动计数以及译码器、 ALU，凑齐了一个拼装一个 CPU 必须要的零件了。

 

    1）自动计数器，这个自动计数器会随着时钟主频不断地自增，来作为 PC 寄存器。

    2）译码器，连在计数器后面。译码器还要同时连着内存（通过大量的 D 触发器组成的）。

    3）自动计数器会随着时钟主频不断自增，从译码器当中，找到对应的计数器所表示的内存地址，然后读取出里面的 CPU 指令。

    4）读取出来的 CPU 指令会通过CPU 时钟控制，写入到一个由 D 触发器组成的寄存器，也就是指令寄存器当中。

    5）在指令寄存器后面，再跟一个译码器。这个译码器是把拿到的指令，解析成 opcode 和对应的操作数。

    6）opcode 和操作数，对应的输出线路就要连接 ALU，开始进行各种算术和逻辑运算。对应的计算结果，则会再写回到 D 触发器组成的寄存器或者内存当中。