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16 建立数据通路

指令周期（Instruction Cycle）​

  1. Fetch（取得指令）

从 PC 寄存器找到指令的地址，根据地址从内存把具体的指令加载到指令寄存器，PC 寄存器自增

  1. Decode（指令译码）

根据指令寄存器里的指令，解析要进行什么操作（R、I、J 中的哪种指令，具体要操作哪些寄存器、数据或者内存地址）

  1. Execute（执行指令）

实际运行对应的 R、I、J 指令，进行算术逻辑操作、数据传输或地址跳转

指令周期（Instruction Cycle）：Fetch - Decode - Execute 的循环

CPU 周期：从内存里面读取一条指令的最短时间

时钟周期：

建立数据通路​

操作元件 ALU：在特定的输入下，根据组合电路的逻辑，生成特定的输出

存储元件：寄存器，包含通用寄存器和状态寄存器

建立数据通路：通过数据总线连接起来，完成数据的存储、处理和传输

指令译码器将输入的机器码，解析成不同的操作码和操作数，然后传输给 ALU 进行计算

CPU 的硬件电路​

ALU​

没有状态的，根据输入计算输出结果的电路

寄存器​

能够进行状态读写的电路

  • 锁存器（Latch）
  • D 触发器（Data/Delay Flip-flop）

计数器​

自动计数的电路

译码器​

找到对应数据的电路

  • 对指令进行 decode
  • 通过内存地址获取对应的数据或指令

时序逻辑电路​

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

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

时序协调​

各种指令的操作有先后顺序，不同的事件按照时间顺序发生

时钟信号的硬件实现​

开关 A 闭合，开关 B不停地在开和关之间切换，生成对应的时钟信号

时钟信号（Clock Signal）：按照固定的周期不断在 0 和 1 之间切换的信号

通过 D 触发器实现存储功能​

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

通过一个时钟信号，可以在特定时间对输出的 Q 进行写入操作

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 D 进行 Q 的写入操作

一个 D 型触发器，只能控制 1 个比特的读写。多个 D 型触发器并列在一起，用同一个 CLK 信号控制所有 D 型触发器的开关，就成了一个 N 位的 D 型触发器，可以同时控制 N 位的读写。

可以在 D 型触发器上加上更多的开关，实现清 0 或全部置为 1 的操作。

PC 寄存器的计数器​

时钟信号提供定时输入，D 型触发器可以在时钟信号控制的时间点写入数据

单指令周期处理器：在一个时钟周期里，确保执行完一条耗时最长的 CPU 指令

读写数据的译码器​

2-1 选择器

2-1 选择器：一个反向器只能有 0 和 1 这样两个状态，只能从两个地址中选择一个

3-8 译码器：输入的信号有三个不同的开关，能从 23 = 8 个地址中选择一个

CPU 是 64 位，寻址空间是 264，需要 64 个开关的译码器

建立数据通路构造 CPU​

  1. 自动计数器随着时钟主频不断自增。
  2. 译码器连着大量 D 触发器组成的内存。
  3. 找到对应的计数器所表示的内存地址，读取 CPU 指令。
  4. 通过 CPU 时钟控制，写入到指令寄存器。
  5. 译码器把拿到的指令，解析成 opcode 和对应的操作数。
  6. opcode 和操作数，对应的输出线路连接 ALU，开始进行各种算术和逻辑运算。
  7. 计算结果写回到寄存器或内存中。