三种周期

指令周期

  1. 执行一条指令的过程
    • Fetch（取得指令）
      • 从PC寄存器里面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，便于未来执行下一条指令
    • Decode（指令译码）
      • 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
    • Execute（执行指令）
      • 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
    • 重复上面步骤
  2. 指令周期（Instruction Cycle）：Fetch -> Decode -> Execute

涉及的组件

  1. 取指令的阶段，指令是放在存储器里的
  2. 通过PC寄存器和指令寄存器取出指令的过程，是由控制器（Control Unit）操作的
  3. 指令的解码过程，也是由控制器进行的
  4. 一旦到了执行指令阶段，R、I型指令都是由算术逻辑单元（ALU）操作
    • 进行算术操作、逻辑操作的R型指令
    • 进行数据传输、条件分支的I型指令
  5. 如果是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

机器周期

  1. Machine Cycle：机器周期或者CPU周期
  2. CPU内部的操作速度很快，但访问内存的速度却慢很多，每条指令都需要从内存里面加载而来
    • 一般把从内存里读取一条指令的最短时间，称为CPU周期

时钟周期

  1. Clock Cycle：时钟周期（主频）

三者关系

  1. 一个CPU周期（机器周期），通常会由几个时钟周期累积起来
  2. 对于一个指令周期来说，取出一条指令，然后执行它，至少需要两个CPU周期
    • 取出指令至少需要一个CPU周期，执行指令至少也需要一个CPU周期
      • 指令译码只需要组合逻辑电路，不需要一个完整的时钟周期 – 时间很短
    • 复杂的指令规则需要更多的CPU周期

建立数据通路

  1. 数据通路就是处理器单元，由两类元件组成：操作元件、存储元件
  2. 操作元件
    • 也称为组合逻辑元件，即ALU
    • 功能：在特定的输入下，根据组合电路的逻辑，生成特定的输出
  3. 存储元件
    • 也叫状态元件，如计算过程中用到的寄存器，不论是通用寄存器还是状态寄存器，都是存储元件
  4. 通过数据总线的方式，把操作元件和存储元件连接起来，就可以完成数据的存储、处理和传输了，建立了数据通路

控制器

  1. 控制器只是机械地重复Fetch -> Decode -> Execute循环中的前两个步骤
    • 然后把在最后一个步骤通过控制器产生的控制信号，交给ALU去处理
  2. 所有CPU支持的指令，都会在控制器里面，被解析成不同的输出信号 – 电路非常复杂
  3. 运算器里的ALU和各种组合逻辑电路，可以认为是一个固定功能的电路
    • 控制器翻译出来的就是不同的控制信号
    • 这些控制信号，告诉ALU去做不同的计算
  4. 指令译码器将输入的机器码（机器指令），解析成不同的操作码和操作数，然后传输给ALU进行计算

所需硬件电路

  1. ALU
    • 一个没有状态的，根据输入计算输出的组合逻辑电路
  2. 寄存器
    • 一个能进行状态读写的电路元件
    • 这个电路能够存储上一次的计算结果
    • 常见实现：锁存器（Latch）、D触发器（Data/Delay Flip-flop）
  3. 『自动』的电路
    • 按照固定的周期，不停地实现PC寄存器自增，自动去执行Fetch -> Decode -> Execute的步骤
    • PC寄存器 = 程序计数器
  4. 『译码』的电路
    • 对指令进行decode
    • 拿到内存地址去获取对应的数据或者指令

时序逻辑电路

  1. 组合逻辑电路：只需要给定输入，就能得到固定的输出
  2. 时序逻辑电路解决的问题
    • 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
      • 场景：控制器不停地让PC寄存器自增读取下一条指令
    • 存储
      • 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
      • 不像组合逻辑电路那样，一旦输入有任何变化，对应的输出也会改变
    • 本质上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，还是硬件层面的各种指令操作，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

时钟信号

  1. CPU的主频是由一个晶体振荡器来实现的，而这个晶体振荡器生成的电路信号，就是时钟信号
  2. 开关A，一开始是断开的，由手工控制；另一个开关B，一开始是合上的；磁性线圈对准开关B
    • 一旦合上开关A，磁性线圈会通电，产生磁性，开关B就会从合上变成断开
    • 一旦开关B断开，电路中断，磁性线圈失去磁性，于是开关B又会弹回到合上的状态
    • 这样，电路就会来回不断地在开启、关闭两个状态中切换，对下游电路来说，就不断地产生0和1的信号
  3. 这种按照固定周期不断在0和1之间切换的信号，就是时钟信号（Clock Signal）
  4. 反馈电路：_把电路的输出信号作为输入信号，在回到当前电路_
    • 通过反相器（Inverter）实现的时钟信号

D触发器 – 存储

RS触发器

或非门
NOR 0 1
0 1 0
1 0 0
过程
  1. 电路一开始，输入开关都是关闭的
    • A的输入：<0,0>，A的输出：1
    • B的输入：<1,0>，B的输出：0，反馈到A，没有任何变化，Q的输出：0
  2. 把A的开关R合上
    • A的输入：<0,1>，A的输出：0
    • B的输入：<0,0>，B的输出：1，反馈到A，Q的输出：1
    • A的输入：<1,1>，A的输出：0
    • 电路仍然是稳定的，不会像晶振那样震荡
  3. 把A的开关R打开
    • A的输入：<1,0>，A的输出：0
    • B的输入：<0,0>，B的输出：1，反馈到A，Q的输出：1
    • 电路依然是稳定的，开关R、S的状态和第一步是一样的，但Q的输出是1（保留上一步的输出）
  4. 把B的开关S合上
    • B的输入：<?,1>，B的输出：0，Q的输出：0
  5. 小结
    • 接通开关R，输出变为1，即使断开开关，输出还是1；接通开始S，输出变为0，即使断开开关，输出还是0
    • 当两个开关都断开的时候，最终的输出结果，取决于之前动作的输出结果 – 记忆功能
    • RS触发器也称为复位置位触发器（Reset-Set Flip Flop）
R S Q
1 0 1
0 1 0
0 0 Q
1 1 NA

D触发器

控制何时往Q写入数据
  1. 在RS触发器的基础上，在R和S开关之后，加入两个与门，同时给这两个与门加入一个时钟信号CLK作为电路输入
  2. 当时钟信号CLK在低电平的时候，与门的输入里有一个0，两个实际的R和S后的与门的输出必然为0
    • 无论怎么按R和S开关，根据R-S触发器的真值表，对应的Q值都不会发生变化
  3. 当时钟信号CLK在高电平的时候，与门的一个输入为1，输出结果完全取决于R和S的开关
    • 此时可以通过开关R和S，来决定对应Q的输出
  4. 小结
    • 通过一个时钟信号，可以在特定的时间对输出Q进行写入操作
D触发器
  1. 让R和S的开关，通过一个反相器连起来，就是通过同一个开关控制R和S
  2. 当CLK信号是1，R和S就可以设置输出Q；当CLK信号是0，无论R和S怎么设置，输出信号都不会改变
  3. 用来控制R和S两个开关的信号，视为一个输入的数据信号，即Data，这就是D型触发器的由来
  4. 小结：把R和S两个信号通过一个反相器合并，可以通过一个数据信号进行Q的写入操作
  5. 一个D触发器，只能控制1bit的读写
    • 如果同时拿出多个D触发器并列在一起，并且把用同一个CLK信号控制所有D触发器的开关
    • 这样就变成了N位的D触发器，可以同时控制N位的读写
  6. CPU里的寄存器可以直接通过D触发器来构造的

PC寄存器

  1. PC寄存器，也称为程序计数器（Program Counter）
  2. 有了时钟信号，可以提供定时的输入，有了D触发器，可以在时钟信号控制的时间点写入数据
    • 把两者组合起来，就可以实现一个自动的计数器
  3. 加法器的两个输入，一个始终设置为1，另外一个来自于一个D触发器，把加法器的输出结果，写到D触发器
    • 这样D触发器里面的数据会在固定的时钟信号为1的时候更新一次，每过一个时钟周期，就能固定自增1
    • 每次自增之后，可以去对应的D触发器里取值，即下一条需要运行指令的地址（同一程序的指令要顺序存放在内存里）
    • 因此同一程序顺序地存放指令，就是为了通过程序计数器就能定时不断地执行新指令

译码器

  1. 数据能存储在D触发器里，把很多D触发器放在一起，就能形成一块很大的存储空间，甚至当成一块内存来使用
    • 在写入和读取数据时，怎么定位是操作哪一个Bit？ – 寻址、译码器
  2. 实际使用的计算机内存使用的是DRAM，并非通过D触发器来实现的，而是使用CMOS芯片来实现 – 但不影响理解译码器的原理

2-1选择器

  1. 把寻址退化到最简单的情况：在两个地址中，去选择一个地址，即2-1选择器
  2. 2-1选择器的组成：一个反相器、两个与门、一个或门
    • 通过控制反相器的输入是0还是1，来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
  3. 一个反相器只能有0和1两种状态，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，称为3-8译码器
    • 现代计算器的CPU是64位，意味着寻址空间为**$2^{64}$，需要一个有64个开关的译码器**

本质

  1. 译码器的本质，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
  2. 除了寻址外，还可以通过译码器，找出期望执行的指令，即opcode，以及后面对应的操作数或寄存器地址

简单的CPU

  1. 自动计数器
    • 自动计数器会随着时钟主频不断地自增，作为PC寄存器
  2. 地址译码器
    • 地址译码器需要连着通过大量的D触发器组成的内存
  3. 自动计数器随着时钟主频不断自增，从地址译码器当中，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时钟的控制，写入到一个由D触发器组成的寄存器，即指令寄存器
  5. 指令译码器
    • 指令译码器不是用来寻址的，而是将拿到的指令，解析成opcode和对应的操作数
  6. 拿到对应的opcode和操作数，对应的输出线路要连接ALU，开始进行各种算术和逻辑运算
    • 对应的计算结果，再写回到D触发器组成的寄存器或者内存中

参考资料

深入浅出计算机组成原理