（2）计算机是如何读懂0和1的？- CPU (下)

本文为《BUT HOW DO IT KNOW – The Basic Principles of Computer for everyone 》笔记，文章绝大部分图片来自于这本书，用visio重新绘制，并增加不同的颜色，更便于阅读。

在前面两篇文章中，我们已经介绍了RAM组成以及CPU中ALU的实现，文章链接如下：

J Pan：（1）计算机是如何读懂0和1的？- RAM

J Pan：（2）计算机是如何读懂0和1的？- CPU (上)

这一篇主要介绍CPU中Control Section的构建。我们先来回忆一下计算机的组成：

根据前面所述，计算机有两大部分组成：CPU和RAM。CPU又包含Control section和ALU以及若干个寄存器等。

上一篇文章说了，对于CPU来说，我们把具体干活的部分称之为ALU，把起调度功能的部分称之为“Control section”，即控制单元。Control section调度过程又分为两部分：指令解析和数据准备。

一、Control Section基本架构

Control section的基本功能很明确，就是通过解析指令，获得各个寄存器的“读”和“写”使能端，大概样子如下图所示：

左侧为生成的“读”使能信号；

右侧为生成的“写”使能信号；

“读”使能对象为6个寄存器：RAM、ACC、R0、R1、R2、R3。

“写”使能对象为8个寄存器，除RAM、ACC、R0、R1、R2、R3之外，还包括MAR、TMP。因为TMP只有“写”使能端，“读”一直使能，而MAR则不要“读”使能。

下面我们就以“加法”、“存入”以及“取指令”的过程来看一下这些使能信号是如何产生的。

1.1、如何实现加法

前面我们介绍了stepper的实现方式，总共分成7步，其中step 7的作用是使stepper跳回至step 1，也就是说，我们能够利用的是step 1到step 6。在每一步，都会产生clk e“读”使能信号和clk s “写”使能信号，其先后关系及持续时间为：

可见，“读”信号先使能，尔后“写”信号使能，尔后“读”信号使能结束。这样就能保证“写”操作进行时所用的数据为当前step“读”到的信号。

我们先来看一下step 4到step 6。实现逻辑如上图所示，还记得我们前面说过的吗？——左侧为“读”使能，右侧为“写”使能，我们整理一下上图的逻辑，可以得到：

Step 4：寄存器R1中的数在“读”使能时，传输到BUS，在“写”使能时，写入到TMP里；

Step 5：寄存器R0中的数在“读”使能时传输到BUS，ALU开始工作，此时TMP在上一步已经准备好，两个输入TMP和R0都就位，ALU计算两者的和；在“写”使能时，ALU计算的结果存储到ACC，注意，此时不经过BUS。

Step 6：寄存器ACC中的数在“读”使能时，传输到BUS，在“写”使能时，写入到R0里；

总的效果就是：将R0中的数加上R1中的数，存储到R0中。

1.2、如何存入数据

前面将计算结果存储到了寄存器R0中， R0是CPU内部寄存器，大多数时候我们想要存到RAM里面，是否可实现呢？请看下图：

在时钟的作用下，数据流向为：

Step 4：寄存器R2中的数在“读”使能时，传输到BUS，在“写”使能时，写入到MAR里；

Step 5：寄存器R0中的数在“读”使能时传输到BUS，在“写”使能时，开始往RAM里写数据，数值为R0，此时RAM中地位MAR存的数据是R2。

总的效果就是：将R0中的数据存到RAM中，存储地址是R2中存的数据。

1.3、如何实现“取指令”

前面我们说了两个例子，分别是将寄存器中的数相加，以及将寄存器中的数存到RAM指定的地址中去。

这是两种完全不同的操作，怎么来区分呢？——在step 1到step 3中实现。为此，我们要再增加两个寄存器：IAR和IR，分别存储指令地址和指令内容。此时，计算机的继续丰满，如下所示：

其中IAR有“读”和“写”两个使能端，也就是地址寄存器中内容可以有“读”和“写”两个操作；IR只有“写”使能端，也就是指令寄存器只能从总线拿数据。

接下来，我们就看一下取指令的过程是如何实现的，如下图：

数据流向如下：

具体过程为：

Step 1：地址寄存器IAR在“读”使能的时候，将数据传输到BUS，在“写”使能的时候，存入MAR，即RAM中地址寄存器；Step 1还有一个动作，后面再说。

Step 2：RAM中地址为MAR的数据，在“读”使能的时候，将数据传输到BUS，在“写”使能的时候，存入指令寄存器IR；

Step 3：为了能让程序自动执行，我们还需要更新IAR，一个最简单的方式就是将IAR加1，这样就对应RAM中IAR下一条指令。加法很容易实现，ALU中就有加法器，具体实现我们先不管，假设现在ALU的计算结果已经保存在ACC中，我们怎么能让程序自动运转起来？——很简单，寄存器ACC在“读”使能的时候，将数据传输到BUS，在“写”使能的时候，存入IAR，对应RAM中下一条指令；

怎么实现ALU中IAR加1的功能呢？我们知道，ALU有两个输入，一个是TMP，一个来自总线BUS，BUS由于连接的东西很多，我们最好不要动他，剩下的就只能在TMP上做做手脚。——解决方案就是在TMP和ALU中间增加一个模块，这个模块要实现的功能是要么传输TMP里面的数据，要么传输1，具体实现方式如下：

不难分析，这个电路的实现的功能很简单，如下：

那IAR加1的这个动作在哪一步实现呢？——step 1。我们知道在step 1的时候，IAR已经在BUS中，这时候我们bus 1=1，我们再将ACC使能，这样IAR+1就存入到了ACC中。

二、ALU指令编码及解析

对于一个8位CPU来说，指令可以分为两大类，一类为ALU相关指令，主要包括需要ALU参与完成的相关指令，比如加法、移位、比较等；另一类是非ALU相关指令，比如加载数据，存储数据，跳转等。

无论哪种指令，都可以分为前4位和后4位，前四位和动作有关，后四位和数据有关。

我们先说ALU相关指令，其基本定义如下：

最高位为1表示该条指令为ALU指令，接下来三位为操作码，表示ALU要干的具体工作；后四位的前两位和后两位表示ALU运算所需要的数据所在寄存器的编码，具体定义如上图所示。

比如，有一条ALU（1）指令执行加法（000）运算，被加的内容是Resister 2（10）里的数据与Resister 3（11）的数据，结果存放在Resister 3（11）里面，那么它对应的指令就是：

如果把这条指令（1000 1011）存入RAM中，地址为10，那么当IAR设为10时，开启计算机，它就会从IAR为10的RAM中读取该条指令，通过总线传输至IR，然后在Control Section的控制下，去计算R2和R3之和。

如果ALU指令是单输入指令，比如SHL，SHR或者NOT，数据内容将来自Reg A，经过ALU运算，结果会被存在Reg B中。可以选在从一个寄存器取数，结果存到另外一个寄存器，比如R1→R3；可以选在从一个寄存器取数，结果存到同一个寄存器，比如R2→R2。

如果ALU指令是双输入指令，Reg A和Reg B将会被送到ALU，运算结果送到Reg B，Reg A和Reg B可以是同一个寄存器。

通过以上分析我们知道，ALU面对的是两个输入：Reg A和Reg B。Reg A和Reg B的逻辑相对是比较明确的，那就是Reg A (ALU) Reg B→Reg B，Reg A和Reg B进过ALU运算，结果存在Reg B里面，具体实现方式如下：

数据流总结如下：

Step 4：“读”和“写”使能端有两个条件：指令寄存器IR最高位为1，Stepper 4的clk信号为高；通过控制“读”“写”两个信号，实现Reg B的内容加载到TMP里面；

Step 5：“读”和“写”使能端有两个条件：指令寄存器IR最高位为1，Stepper 5的clk信号为高，实现Reg B的内容加上TMP里面存的Reg A，结果传输至Reg B；Stepper 5的clk信号还作为ALU操作码产生信号的控制，也就是说，只有在step 5才产生非000的ALU操作码。

Step 6：只要不是比较运算（操作码111），都要将ACC的计算计算结果存储至Reg B。

可见，对于ALU指令操作，就是Reg A和Reg B两个寄存器的数据运算和存储。但是呢，我们手上有4个寄存器：R0、R1、R2、R3，每一个Reg A或Reg B可以是R0、R1、R2、R3中的任意一个，因此，我们需要对R0、R1、R2、R3编码，这样，就可以实现对任何一个寄存器的操作，如下图所示：

这样就可以通过指令后四位的寄存器编码，实现对寄存器里面数据的操作。

助记符如下：

三、非ALU指令编码及解析

3.1、如何实现“load”和“store”指令

前面说了，当指令的第一位为1时，是ALU相关指令。接下来我们就看看当第一位不为1时的指令情况，见下图：

最高位0表示非ALU指令，接下来三位为000表示加载数据，001表示存储数据。指令后四位和ALU指令一致，表示寄存器的编码。实现逻辑为：

当前四位为0000时：

Step 4：Reg A的数据存储到RAM中（地址为MAR）；

Step 5： RAM中地址为MAR的数据存储到Reg A；

当前四位为0001时：

Step 4：Reg A的数据存储到MAR；

Step 5： Reg B中的数据存储到RAM中（地址为MAR）；

助记符如下：

3.2、如何实现“data”指令

当指令前四位为0010时，代表的是数据指令。与之前不同的是，这个指令有2个字节，后面紧跟的字节为要写入寄存器的数据，如下图所示：

实现方式为：

Step 4：读取IAR中的数据，存储到MAR中；bus 1使能，将IAR+1的结果存到ACC中；

Step 5：读取RAM中的数据（地址为IAR），存储到Reg B中；

Step 6：读取ACC中的数据（此时为IAR+1），更新到IAR中；

注意：由于IAR在step 1的时候已经+1了，在step 4又+1，因此，下一条指令将跳过仅邻的后一条指令（为需要载入的数据），从而实现将后一条紧邻的输入读入的功能。

助记符如下：

3.3、如何实现“jump”指令

当指令前四位为0011时，代表的是跳转指令，如下图所示：

实现方式为：

Step 4：Reg B中的数据存储到IAR中，意味着下一次的指令将从IAR（目前为Reg B寄存器中存储的数据），从而实现跳转功能。

助记符如下：

3.4、如何实现“jump to”指令

当指令前四位为0100时，代表的是跳转到指令，注意，这也是一条2字节指令，紧邻的后1字节代表要跳转到的地址，如下图所示：

实现方式为：

Step 4：将IAR中的数据存储到MAR；

Step 5：将RAM中地址为IAR的数据存储到IAR；

也就是IAR中的内容变成了RAM[IAR+1]，实现到“跳转到”功能。

助记符如下：

3.5、如何实现“jump if”指令

当然还可以实现更复杂的跳转指令，比如说有条件跳转，如下图所示：

前面我们说了，ALU计算会输出四个标志位，分别为：carry out、a larger、equal和zero。如下图所示：

我们可以把这四个标志位作为判断条件，实现有条件跳转，实现方式如下：

Step 4：IAR传输至MAR，IAR+ 1传输至ACC；

Step 5：ACC传输至IAR；

Step 6：若carry out、a larger、equal或zero其中之一为真，则RAM [IAR] 传输至IAR。

也就是说，新的IAR有两种情况，正常情况下，程序将顺序执行（跳过紧邻的“地址”字节）；当carry out、a larger、equal或zero之一为真时，程序跳转到紧邻字节所存储的地址。

助记符如下：

如果我们把指令某个位置1，这样就可以进行组合标志条件跳转，因为我们有4个标志位，共计有16种组合，当然，4个标志位都off时，就不需要跳转，所以我们只对剩下的15个标志位组合感兴趣，其机器语言如下：

两个标志位组合：

三个或四个标志位组合：

3.6、如何实现“clear flags”指令

当我们去做加法或者移位运算时，可能会用到carry进位标志位，比如在有条件跳转时，就会用到这个标志位。

Carry标志位还会作为加法和移位运算的输入，这就带来一个问题：Carry标志位是存在寄存器里面的，会一直保存之前的记录，当我们的运算不需要这个进位的时候，也会被ALU使用，这就可能会出现2+2=5的情况。

有很多种方式可以处理这个问题，现在我们采用一种比较简单的方式来清除标志位，如下图所示：

看着很简洁，但是还是很有技巧的。首先，并没有使能任何寄存器往BUS写数据，这样ALU的输入A就是0000 0000。在Step 4的时候，使能Bus 1，所以此时ALU的输入B为0000 0001。这是并没有任何操作码发送至ALU，因为默认的是ADD操作，这时ALU就会执行0000 0000+0000 0001=0000 0001，此时还可能有进位carry in，所以总的结果可能是0000 0001，也可能是0000 0010，但是肯定不会产生进位carry out。注意此时carry 标志位为off；结果不是零，所以zero标志位也为off；B比A大，所以“‘A larger”和“equal”也为off。也就是说，所有标志位都清零了。

助记符如下：

3.7、如何实现“I/O”指令

当然，我们还需要相关的指令实现CPU和RAM与外部的数据交换，如下图所示：

I/O总线包括数据总线和一些关键的内部信号，包括输入/输出标志位、数据/地址标志位、“读”使能标志位、“写”使能标志位，具体如下：

其指令格式如下，前四位为0111就表示该指令为I/O指令。后四位第一位表示是输入/输出标志，第二位表示数据/地址标志位，最后两位表示地址/数据的内容（存在Reg B中）。

具体实现方式如下：

Step 4：input/output标志位为1，指令前4位为0111时，Reg B寄存器“读”使能，Reg B寄存器内容传输至BUS；I/O clk s标志位为on；

Step 5：input/output标志位为0，指令前4位为0111时，Reg B寄存器“写”使能，BUS数据传输至Reg B寄存器；I/O clk e标志位为on；

助记符如下：

四、控制单元集成

把前面所有介绍的指令用或门全部封装在一起，就可以得到CPU的Control Section了。其实现的功能为：

具体实现方式如下：

把前面所列的所有ALU指令封装在一起，可以得到ALU相关指令的Control Section部分如下：

继续把所有非ALU指令封装在一起，如下：

把所有指令封装在一起，如下图所示：