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18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU


组合逻辑电路


但是,光有组合逻辑电路是不够的。你可以想一下,如果只有组合逻辑电路,我们的 CPU 会是什么样的?电路输入是确定的,对应的输出自然也就确定了。那么,我们要进行不同的计算,就要去手动拨动各种开关,来改变电路的开闭状态。这样的计算机,不像我们现在每天用的功能强大的电子计算机,反倒更像古老的计算尺或者机械计算机,干不了太复杂的工作,只能协助我们完成一些计算工作。


时序逻辑电路 (Sequential Logic Circuit)。时序逻辑电路可以帮我们解决这样几个问题。


第一个就是 自动运行 的问题。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。这个使得我们上一讲说的,控制器不停地让 PC 寄存器自增读取下一条指令成为可能。


存储


时序协调


时钟信号的硬件实现


时钟 。我在 第 3 讲


实现这样一个电路,和我们之前讲的,通过电的磁效应产生开关信号的方法是一样的。只不过,这里的磁性开关,打开的不再是后续的线路,而是当前的线路。


在下面这张图里你可以看到,我们在原先一般只放一个开关的信号输入端,放上了两个开关。一个开关 A,一开始是断开的,由我们手工控制;另外一个开关 B,一开始是合上的,磁性线圈对准一开始就合上的开关 B。


于是,一旦我们合上开关 A,磁性线圈就会通电,产生磁性,开关 B 就会从合上变成断开。一旦这个开关断开了,电路就中断了,磁性线圈就失去了磁性。于是,开关 B 又会弹回到合上的状态。这样一来,电路接通,线圈又有了磁性。我们的电路就会来回不断地在开启、关闭这两个状态中切换。



18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU_单片机


开关 A 闭合(也就是相当于接通电路之后),开关 B 就会不停地在开和关之间切换,生成对应的时钟信号


时钟信号


一般这样产生的时钟信号,就像你在各种教科书图例中看到的一样,是一个振荡产生的 0、1 信号。



18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU_触发器_02


时钟信号示意图


反馈电路


反相器 (Inverter),也就是我们之前讲过的 非门



18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU_嵌入式硬件_03


通过一个反相器实现时钟信号


通过 D 触发器实现存储功能


有了时钟信号,我们的系统里就有了一个像“自动门”一样的开关。利用这个开关和相同的反馈电路,我们就可以构造出一个有“记忆”功能的电路。这个有记忆功能的电路,可以实现在 CPU 中用来存储计算结果的寄存器,也可以用来实现计算机五大组成部分之一的存储器。



18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU_嵌入式硬件_04


我们先来看下面这个 RS 触发器电路。这个电路由两个或非门电路组成。我在图里面,把它标成了 A 和 B。



18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU_嵌入式硬件_05


或非门的真值表



输出 Q



输出 Q



开关 R 和 S 的状态和上面的第一步是一样的,但是最终的输出 Q 仍然是 1,



输出 Q


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,这个也就是我们说的记忆功能


对应的输出结果的真值表,你可以看下面这个表格。可以看到,当两个开关都是 0 的时候,对应的输出不是 1 或者 0,而是和 Q 的上一个状态一致。



18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU_计算机原理_06


再往这个电路里加两个与门和一个小小的时钟信号,我们就可以实现一个利用时钟信号来操作一个电路了。这个电路可以帮我们实现什么时候可以往 Q 里写入数据。


时钟信号 CLK


这样,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是 0。也就是说,无论我们怎么按 R 和 S 的开关,根据 R-S 触发器的真值表,对应的 Q 的输出都不会发生变化。


只有当时钟信号 CLK 在高电平的时候,与门的一个输入是 1,输出结果完全取决于 R 和 S 的开关。我们可以在这个时候,通过开关 R 和 S,来决定对应 Q 的输出。



18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU_fpga开发_07


通过一个时钟信号,我们可以在特定的时间对输出的 Q 进行写入操作


我们让 R 和 S 的开关,也用一个反相器连起来,也就是通过同一个开关控制 R 和 S。只要 CLK 信号是 1,R 和 S 就可以设置输出 Q。而当 CLK 信号是 0 的时候,无论 R 和 S 怎么设置,输出信号 Q 是不变的。这样,这个电路就成了我们最常用的 D 型触发器。用来控制 R 和 S 这两个开关的信号呢,我们视作一个输入的数据信号 D,也就是 Data,这就是 D 型触发器的由来。



18 | 建立数据通路(中):指令+运算=CPU_单片机_08


把 R 和 S 两个信号通过一个反相器合并,我们可以通过一个数据信号 D 进行 Q 的写入操作


并且把用同一个 CLK 信号控制作为所有 D 型触发器的开关,这就变成了一个 N 位的 D 型触发器,也就可以同时控制 N 位的读写。


CPU 里面的寄存器可以直接通过 D 型触发器来构造。我们可以在 D 型触发器的基础上,加上更多的开关,来实现清 0 或者全部置为 1 这样的快捷操作。


总结延伸


好了,到了这里,我们可以顺一顺思路了。通过引入了时序电路,我们终于可以把数据“存储”下来了。我们通过反馈电路,创建了时钟信号,然后再利用这个时钟信号和门电路组合,实现了“状态记忆”的功能。


电路的输出信号不单单取决于当前的输入信号,还要取决于输出信号之前的状态。最常见的这个电路就是我们的 D 触发器,它也是我们实际在 CPU 内实现存储功能的寄存器的实现方式。


这也是现代计算机体系结构中的“冯·诺伊曼”机的一个关键,就是程序需要可以“存储”,而不是靠固定的线路连接或者手工拨动开关,来实现计算机的可存储和可编程的功能。


有了时钟信号和触发器之后,我们还差一个“自动”需求没有实现。我们的计算机还不能做到自动地不停地从内存里面读取指令去执行。这一部分,我们留在下一讲。下一讲里,我们看看怎么让程序自动运转起来。



课后思考


现在我们的 CPU 主频非常高了,通常在几 GHz 了,但是实际上我们的晶振并不能提供这么高的频率,而是通过“外频 + 倍频“的方式来实现高频率的时钟信号。请你研究一下,倍频和分频的信号是通过什么样的电路实现的?


欢迎留言和我分享你的疑惑和见解,也欢迎你把今天的内容分享给你的朋友,和他一起学习和进步。


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