建立数据通路(三)

PC寄存器

背景

• 有了时钟信号，可以提供定时输入。有了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计数器

程序计数器

• 

• 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

• 把加法器的输出结果，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固定的时钟信号为1的时候更新一次

• 这样，就有了一个每过一个时钟周期，就能固定自增1的自动计数器

• 这个自动计数器，可以拿来当PC寄存器，事实上，PC寄存器的这个PC，英文就是Program Counter，也就是程序计数器的意思

作用

• 每次自增之后，可以去对应的D型触发器里面取值，也是下一条需要运行指令的地址
• 同一个程序的指令应该要顺序存放在内存里面。顺序存放指令，就是为让我们通过程序计数器就能定时不断执行新指令

单指令周期处理器(Single Cycle Processor)

• 加法计数，内存取值，乃至后面的命令执行，最终其实都是由一开始讲的时钟信号，来控制执行时间点和先后顺序，也是需要时序电路最核心的原因
• 在最简单的情况下，需要让每一条指令，从程序计数、到获取指令、执行指令，都在一个时钟周期内完成
• 如果PC寄存器自增太快，程序就会出错
  • 因为前一次的运算结果还没有写回对应的寄存器里面的时候，后面一条指令已经开始读取里面的数据来做下一次计算了
  • 这个时候，如果我们的指令使用同样的寄存器，前一条指令的计算就会没有效果，计算结果就错了
• 在这种设计下，需要在一个时钟周期里，确保执行完一条最复杂的CPU指令，也就是耗时最长的一条CPU指令
  • 这种的CPU设计，称之为单指令周期处理器(Single Cycle Processor)
• 缺点
  • 很显然，这样的设计有点儿浪费
  • 因为即便只调用一条非常简单的指令，也需要等待整个时钟周期的时间走完，才能执行下一条指令

2 - 1 选择器(译码器)

背景

• 数据能够存储在D型触发器里，如果把很多D型触发器放在一起，就可以形成一块很大的存储空间，甚至可以当成一块内存来用
• 那我们怎么才能知道，写入和读取的数据，是在这么大的内存的哪个几个比特?
• 这个需要一个电路，来完成"寻址"的工

电路构成

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• 通过一个反向器、两个与门和一个或门，就可以实现2-1选择器

• 通过控制反相器的输入是0还是1，能够给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

• 一个反向器只能有0和1这样两个状态，所以只能从两个地址中选择一个

  • 如果输入的信号有三个不同的开关，就能从 2 ^ 3，也就是8个地址中选择一个，这样的电路，叫3 - 8译码器
  • 如果CPU是64位，就意味着寻址空间也是2 ^ 64，那么就需要一个有64个开关的译码器

作用

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• 其实，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

• 除了能够进行"寻址"之外，还可以把对应的需要运行的指令码

• 同样通过译码器，找出我们期望执行的指令，也就是在之前讲到过的opcode，以及后面对应的操作数或者寄存器地址，只是，这样的"译码器"，比如2-1选择器和3-8译码器，要复杂得多

建立数据通路，构造一个最简单的CPU

图例

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实现

• 首先，有一个自动计数器
  • 这个自动计数器会随着时钟主频不断自增，来作为我们的PC寄存器
• 在这个自动计数器的后面，连着一个译码器
  • 译码器，还要同时连着大量的D触发器组成的内存
• 自动计数器会随着时钟主频不断自增，从译码器中，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
• 读取出来的CPU指令会通过我们的CPU时钟的控制，写入到一个由D型触发器组成的寄存器，也就是指令寄存器当中
• 在指令寄存器后面，可以再跟一个译码器
  • 这个译码器不再是用来寻址的了，而是把我们拿到的指令，解析成opcode和对应的操作数
• 当我们拿到对应的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

条件寄存器

• 讲计算机的指令执行的时候，高级语言中的 if...else，其实是变成了一条 cmp 指令和一条 jmp 指令
• cmp 指令是在进行对应的比较，比较的结果会更新到条件码寄存器当中
• jmp 指令则是根据条件码寄存器当中的标志位，来决定是否进行跳转以及跳转到什么地址
• 为什么if...else 会变成这样两条指令，而不是设计成一个复杂的电路，变成一条指令？
  • 两个指令实现，完全匹配好了我们在电路层面，"译码 - 执行 - 更新寄存器"这样的步骤
  • cmp 指令的执行结果放到了条件码寄存器里面，我们的条件跳转指令也是在 ALU 层面执行的，而不是在控制器里面执行的
  • 这样的实现方式在电路层面非常直观，我们不需要一个非常复杂的电路，就能实现 if...else 的功能

单指令周期处理器的优化

背景

• 在上面的抽象的逻辑模型中，你很容易发现，我们执行一条指令，其实可以不放在一个时钟周期里面，可以直接拆分到多个时钟周期
• 因为从内存里面读取指令时间很长，所以如果使用单指令周期处理器，就意味着我们的指令都要去等待一些慢速的操作
• 这些不同指令执行速度的差异，也正是计算机指令有指令周期、CPU 周期和时钟周期之分的原因

案例

• 可以在一个时钟周期里面，去自增 PC 寄存器的值，也就是指令对应的内存地址
• 然后，我们要根据这个地址从 D 触发器里面读取指令，这个还是可以在刚才那个时钟周期内
• 但是对应的指令写入到指令寄存器，我们可以放在一个新的时钟周期里面
• 指令译码给到 ALU 之后的计算结果，要写回到寄存器，又可以放到另一个新的时钟周期
• 所以，执行一条计算机指令，其实可以拆分到很多个时钟周期，而不是必须使用单指令周期处理器的设计
• 因此，现代我们优化 CPU 的性能时，用的 CPU 都不是单指令周期处理器，而是通过流水线、分支预测等技术，来实现在一个周期里同时执行多个指令

问题

• CPU在执行无条件跳转的时候，不需要通过运算器以及ALU，可以直接在控制器里面完成，你能说说这是为什么吗？
  • 无条件跳转意味着没有计算的逻辑，应该是可以不经过ALU的，但是要控制器把PC设置成跳转后的指令地址