深入理解计算机系统（4.2）---硬件的魅力

引言

 

　　这个系列已经很久没更新了，记得上一篇博文已经是三月份了，实在是抱歉。最近业余时间没有以前充裕了，因此更新一篇博文已经变成了一种奢侈。记得以前刚开始写的时候，最多的时候LZ一天写过3篇博文，现在想想，往事如梦。

　　好了，好不容易写一次，就不多说废话了，本文主要介绍一下硬件以及HCL语言的内容。

 

从疑问开始

 

　　首先，在介绍本文的内容之前，我们先来思考一个看似简单，却实际比较“高深”的问题。众所周知，计算机归根结底是在和0、1打交道，那么到底0和1是如何被计算机记住的呢？

　　怎么样，这个问题是不是有点像数学界的1+1为什么等于2？是否瞬间感觉自己很高大上？

　　请稳住，其实这个问题的答案比1+1=2要简单多了。答案就是计算机通过电压来记录0和1。在学习物理的时候大家肯定都听说过电压这个东西，它的单位一般是伏特（V）。比如我们常用的电压一般是220V。计算机当中使用1V来代表1，使用0V代表0。

　　解答了这个问题，接下来我们就可以继续我们的设计之路了。

 

设计的基础

 

　　要谈设计，就要知道设计的基础。刚才其实我们了解了最基本的基础，就是0和1如何表示，不过这只是最根本的立足之本，我们还需要一些基本的元素。就像你要画一个物体一样，首先是点，然后才能点动成线，进而线动成面，最终面动成体。

　　刚才的0和1只不过是点而已，接下来，我们要用点变换成线。这个东西就叫做逻辑门。

　　逻辑门是数字电路的基本计算元素，也可以看做是物理结构与逻辑结构的映射，它们实际上是由晶体管组成的。逻辑门接受信号的输入，并根据信号产生一定的输出，而输出则是输入的布尔函数，也就是说，输出只能是0或者1。下图是and门（‘与’门）、or门（‘或’门）和not门（‘非’门）的标准符号，你可以看做它们代表了一组线路的组成方式。

 

　　and：               or：                not：

　　

　　可以看出，and和or都是2个输入，而not为1个输入。前面我们提到了HCL硬件设计语言，上面的三个图分别用HCL表示则是，a&&b、a||b以及!a。

　　举个例子，比如对于and门来说，它接受2个输入，如果2个输入都是高位电压，则输出的为高位电压，也就是输出为1。否则的话，都是输出低位电压，也就是输出为0。这些就是建立在刚才1V为1，0V为0的基础之上的。

　　

高级设计

 

　　现在我们已经掌握了基础，那么在基础之上，我们就可以玩点花样了。比如刚才所提到的逻辑门，它们只能接受1位的输入和1位的输出，比如我们可以计算0&&1为0。那如果我们希望计算更加复杂的表达式该如何做呢，比如10001&&11111=？（注意，这里是位‘与’运算，而不是逻辑运算）。

　　答案就是组合电路。道理很简单，一个逻辑门可以计算1位，如果我们弄来32个逻辑门，不就可以计算32位了吗？那么像上面那个10001&&11111的运算，我们就可以采取5个逻辑门去计算。当然，实际上并不是这样的，这个后续我们会更加详细的介绍。

　　不过电路往往是复杂的，不能随便乱接，否则电死了谁负责？因此组合的电路需要遵循以下两个原则。

　　1、两个逻辑门的输出不能连接到一起，否则它们可能会使线上的信号矛盾，因此可能会得到一个不合法的电压或故障。比如1个0V和1个1V接到一起，会不会出来个0.5V，又或者类似于正负极相接，直接短路了呢。

　　2、组合的电路必须是无环的。也就是说输出不能再当做输入，否则会使这个函数产生歧义。这个道理很简单，比如数学上来说，如果c=a+b。我们这里可以把c看做输出，a和b看做输入。如果a又等于c了，那么是不是b就等于0了呢？当然不是，因为a此时其实是a+b，第二轮的c又会等于a+2b，同理，第三轮的c又会等于a+3b。那么到底c=a+b还是c=a+2b还是c=a+3b？（这里有点绕，请各位猿友仔细品味）

　　遵循以上原则，我们就可以随意组装电路了。比如在书中的这个电路。

　　它代表着输出是a和b是否相等，如果用HCL来描述电路，就是(a && b) || (!a && !b)。我们不难看出来，这个表达式就是编程语言当中的a == b。

　　接下来这个图是另外一个书中的例子，它被翻译为多路复用器。其实之所以叫这个，就是因为其中的控制位s是可以复用的。如下图。

　　在这个例子当中还不是特别明显，但是之后有更明显的例子说明“复用”的含义。以上这个电路如果用HCL表达，则是(a && s) || (b && !s)。这个电路的含义是如果s为1，则结果为a，否则结果为b。

　　在书中对HCL表达式与C语言的表达式做了区分，有以下三点。

　　1、逻辑门是持续输出的，但C语言表达式是执行到的时候才会求值。这个区别可以把逻辑门当成一个电路来看，电路是不能断电的，电流会一直存在。

　　2、C语言中输入可以是任意整数，而HCL只能是1和0。这点比较好理解。

　　3、对于a && b这个符号来说，C语言中的规定是如果前者为假，则后者不会再计算。而HCL当中没有这种说法。

 

按位计算

 

　　以上所提到的，哪怕是高级设计，也依然是针对1位进行操作的。那么如何才能真正操作多个位呢，比如平时常用的32位或者64位。

　　道理很简单，就是多个1位操作一起进行，例如下面这个图。

　　这个图当中每个位相等的判断都是上面所提到的两个not门，两个and门和一个or门组成的组合电路。它们并列的一起进行，最终再通过一个and门，就完成了判断两个32位的数字是否相等的操作。也就是表达式A == B，值得注意的是，这里的A和B都是32位的。

　　还有一种类似于C语言中switch语句的表达式，就是如下形式。

　　

　　它代表的意思就是如果s为1，则输出A，否则输出B，同样，这里的A和B都是32位的。那么使用电路如何表达呢？其实就是上次的复用电路的32位版本。如下图。

　　可以看到，s的not值是被复用的，否则的话，这里需要32个not门。值得一提的是，HCL中条件选择表达式中的条件是不需要互斥的，只是按照优先顺序依次选取，这与C语言中的switch是不同的。

　　最后一种HCL表达式，是集合的形式。它表示需要拿一个输入信号与某些值做匹配。比如下图当中的S1和S0。

　　其中如果S1为code == 2 || code == 3，S0为code == 1 || code == 0。那么HCL可以用另外一种方式表达，即code in {2,3}和code in {1,0}。可以看出，HCL表达式其实就是一种硬件表述方式。

　　

存储器和时钟

 

　　上面我们介绍的都是组合电路，它们的作用是根据输入来产生一个值。但是刚才也说过，组合电路是一直持续输出的，因此它无法保持一个状态不变。但我们的计算机是需要存储数据的，因此就需要能保存状态的存储设备。存储设备则是由一个时钟控制，时钟就像一个开关一样，它控制着存储设备什么时候更新设备里的值。

　　常用的存储设备一般有两种。

　　1、时钟寄存器：存储单个位或者单个字。时钟信号来控制寄存器是否要加载输入的值。

　　2、随即访问存储器：存储多个字。用地址来选择该读、写哪个字。

　　时钟寄存器的典型应用是PC、条件码寄存器以及程序状态。它们都有明确的输入，这意味着它们的值其实是某几个值的一个函数，比如条件码寄存器的输入主要就是逻辑计算单元的值，因此条件码寄存器的值就可以看做是逻辑计算单元的函数。

　　时钟寄存器一般是根据时钟信号来更新状态的，而时钟信号就像一个表一样，比如每到12点，寄存器的值就更新一下。就像下面的图示一样，当时钟变化时，值就会变化为y。

　　随即访问存储器最典型的例子就是我们的寄存器文件（也就是8个程序寄存器）和随即访问存储器（也就是我们常说的内存）。它们没有明确的输入值，因此不存在函数关系。不论是寄存器文件还是随即访问存储器，都有读和写两种操作，而对于时钟寄存器来说，是无所谓读和写的，因为它只会根据输入的变化改变输出的值，是可以直接连接到电路上去的。

　　寄存器文件一般有两个读端口和一个写端口。每个端口都附带一个地址来标识操作的是哪个寄存器，而对于写端口，还有一个输入数据，对于读端口，则还有一个输出数据。具体的图示如下。

　　可以看到在寄存器文件的写端口处，有一个时钟（clock）控制着写的操作。当时钟变化时，输入数据的值将会更新到对应的寄存器当中。而对于读数据，则类似于组合电路，根据输入的地址值（src），寄存器文件会输出相应的数据。

　　对于随即访问存储器来说，与寄存器文件非常相似。不同的是，随即访问存储器只有一个地址输入，而不是三个，只有一个数据输出而不是两个。具体的图示如下。

　　当地址（address）输入，并且输入数据（data in）输入时，如果写（write）输入为1并且时钟（clock）变化时，存储器中地址为输入地址值的值将会变化，值就是输入数据（data in）的值。同样的，如果地址（address）输入，并且写（write）输入为0，则输出数据（data out）会输出地址为输入地址值的值。这里还有一点特殊的是，当读数据的时候，如果地址超出了范围，error信号将会输出为1。回忆一下刚才的HCL语言，error其实就可以看做是一个组合电路的输出，等于(address in > max address ) || (address in < 0)，即当输入的地址值不在合法范围内时，它的输出为1。

 

小结

 

　　回忆一下本章的内容，其实就是结合HCL语言在讲硬件的组成。而这些硬件，就是Y86处理器需要使用的。比如组合电路，存储器。到本章最后的时候，已经非常接近我们的编程领域了，可以看到有寄存器和内存的出现。但要注意的是，这里的寄存器文件并不等于寄存器，随即访问存储器也不等于内存，LZ只是想让各位猿友更形象的去理解它。

　　下一章，就是带着大家一起做一个顺序实现的Y86处理器，这是一个非常低级但却最基础的处理器。如果你慢慢的进入了这个世界，你会觉得这是一件非常有意思的事情。就LZ本身来讲，读这本书的时候，最大的感受就是，每一章刚开始读的时候都非常枯燥无味，但每当读了几节以后，就有种豁然开朗的感觉，这种感觉相信你一定也非常喜欢。

　　最后LZ再说明一下，本系列博文都是LZ在自己理解的基础上写的，因此尽管核心内容与原著相似，但语言描述上差异甚大，如果各位猿友看着不习惯的话，不妨去看看原著，或许会有不一样的收获。