深刻淺出計算機組成原理學習筆記：第十八講

1、引子

上一講，咱們看到，要可以實現一個完整的CPU功能，除了加法器這樣的電路以外，咱們還須要實現其餘功能的電路。其中有一些電路，和咱們實現過的加法器同樣，只須要給定輸入，
就能獲得固定的輸出。這樣的電路，咱們稱之爲 組合邏輯電路（Combinational Logic Circuit）。

一、只有組合邏輯電路咱們的CPU會是什麼樣的？

可是，光有組合邏輯電路是不夠的。你能夠想一下，若是隻有組合邏輯電路，咱們的CPU會是什麼樣的？電路輸入是肯定的，對應的輸出天然也就肯定了。

那麼，咱們要進行不一樣的計算，就要去手動撥動各類開關，來改變電路的開閉狀態。這樣的計算機，不像咱們如今天天用的功能強大的電子計算機，

反倒更像古老的計算尺或者機械計算機，幹不了太複雜的工做，只能協助咱們完成一些計算工做。

二、時序邏輯電腦解決了什麼問題？

這樣，咱們就須要引入第二類的電路，也就是 時序邏輯電路（Sequential Logic Circuit）。時序邏輯電路能夠幫咱們解決這樣幾個問題。

第一個就是 自動運行的問題。時序電路接通以後能夠不停地開啓和關閉開關，進入一個自動運行的狀態。這個使得咱們上一講說的，控制器不停地讓PC寄存器自增讀取下一條指令成爲可能。

第二個是 存儲的問題。經過時序電路實現的觸發器，能把計算結果存儲在特定的電路里面，而不是像組合邏輯電路那樣，一旦輸入有任何改變，對應的輸出也會改變。

第三個本質上解決了各個功能按照 時序協調的問題。不管是程序實現的軟件指令，仍是到硬件層面，各類指令的操做都有前後的順序要求。時序電路使得不一樣的事件按照時間順序發生。

2、時鐘信號的硬件實現

想要實現時序邏輯電路，第一步咱們須要的就是一個 時鐘。我在第3講說過，CPU的主頻是由一個晶體振盪器來實現的，而這個晶體振盪器生成的電路信號，就是咱們的時鐘信號。

實現這樣一個電路，和咱們以前講的，經過電的磁效應產生開關信號的方法是同樣的。只不過，這裏的磁性開關，打開的再也不是後續的線路，而是當前的線路。

一、時鐘信號

在下面這張圖裏你能夠看到，咱們在原先通常只放一個開關的信號輸入端，放上了兩個開關。一個開關A，一開始是斷開的，由咱們手工控制；另一個開關B，
一開始是合上的，磁性線圈對準一開始就合上的開關B。

因而，一旦咱們合上開關A，磁性線圈就會通電，產生磁性，開關B就會從合上變成斷開。一旦這個開關斷開了，電路就中斷了，磁性線圈就失去了磁性。因而，開關B又會彈回到合上的狀態。這樣一來，電路接通，線圈又有了磁性。咱們的電路就會來回不斷地在開啓、關閉這兩個狀態中切換。

這個不斷切換的過程，對於下游電路來講，就是不斷地產生新的0和1這樣的信號。若是你在下游的電路上接上一個燈泡，就會發現這個燈泡在亮和暗之間不停切換。
這個按照固定的週期不斷在0和1之間切換的信號，就是咱們的 時鐘信號（Clock Signal）。

 

二、反饋電路

通常這樣產生的時鐘信號，就像你在各類教科書圖例中看到的同樣，是一個振盪產生的0、1信號。

 

這種電路，其實就至關於把電路的輸出信號做爲輸入信號，再回到當前電路。這樣的電路構造方式呢，咱們叫做 反饋電路（Feedback Circuit）。

接下來，咱們還會看到更多的反饋電路。上面這個反饋電路通常能夠用下面這個示意圖來表示，其實就是一個輸出結果接回輸入的 反相器（Inverter），也就是咱們以前講過的非門

 

3、經過D觸發器實現存儲功能

一、有記憶功能的電路

有了時鐘信號，咱們的系統裏就有了一個像「自動門」同樣的開關。利用這個開關和相同的反饋電路，咱們就能夠構造出一個有「記憶」功能的電路。這個有記憶功能的電路，
能夠實如今CPU中用來存儲計算結果的寄存器，也能夠用來實現計算機五大組成部分之一的存儲器。

 

咱們先來看下面這個RS觸發器電路。這個電路由兩個或非門電路組成。我在圖裏面，把它標成了A和B。

 

1. 在這個電路一開始，輸入開關都是關閉的，因此或非門（NOR）A的輸入是0和0。對應到我列的這個真值表，輸出就是1。而或非門B的輸入是0和A的輸出1，
對應輸出就是0。B的輸出0反饋到A，和以前的輸入沒有變化，A的輸出仍然是1。而整個電路的 輸出Q，也就是0。

2. 當咱們把A前面的開關R合上的時候，A的輸入變成了1和0，輸出就變成了0，對應B的輸入變成0和0，輸出就變成了1。B的輸出1反饋給到了A，A的輸入變成了1和1，
輸出仍然是0。因此把A的開關合上以後，電路仍然是穩定的，不會像晶振那樣振盪，可是整個電路的 輸出Q變成了1。

3. 這個時候，若是咱們再把A前面的開關R打開，A的輸入變成和1和0，輸出仍是0，對應的B的輸入沒有變化，輸出也仍是1。B的輸出1反饋給到了A，A的輸入變成了1和0，輸出仍然是0。這個時候，電路仍然穩定。 開關R和S的狀態和上面的第一步是同樣的，可是最終的輸出Q仍然是1，和第1步裏Q狀態是相反的。咱們的輸入和剛纔第二步的開關狀態不同，可是輸出結果仍然保留在了第2步時的輸出沒有發生變化。

4. 這個時候，只有咱們再去關閉下面的開關S，才能夠看到，這個時候，B有一個輸入必然是1，因此B的輸出必然是0，也就是電路的最終 輸出Q必然是0。

二、觸發器

這樣一個電路，咱們稱之爲觸發器（Flip-Flop）。接通開關R，輸出變爲1，即便斷開開關，輸出仍是1不變。接通開關S，輸出變爲0，即便斷開開關，輸出也仍是0。也就是，
 當兩個開關都斷開的時候，最終的輸出結果，取決於以前動做的輸出結果，這個也就是咱們說的記憶功能。這裏的這個電路是最簡單的RS觸發器，也就是所謂的復位置位觸發器（Reset-Set Flip Flop) 。對應的輸出結果的真值表，你能夠看下面這個表格。能夠看到，當兩個開關都是0的時候，對應的輸出不是1或者0，而是和Q的上一個狀態一致。

 

再往這個電路里加兩個與門和一個小小的時鐘信號，咱們就能夠實現一個利用時鐘信號來操做一個電路了。這個電路能夠幫咱們實現何時能夠往Q裏寫入數據。

咱們看看下面這個電路，這個在咱們的上面的R-S觸發器基礎之上，在R和S開關以後，加入了兩個與門，同時給這兩個與門加入了一個時鐘信號CLK做爲電路輸入

這樣，當時鍾信號CLK在低電平的時候，與門的輸入裏有一個0，兩個實際的R和S後的與門的輸出必然是0。也就是說，不管咱們怎麼按R和S的開關，根據R-S觸發器的真值表，對應的Q的輸出都不會發生變化。

只有當時鍾信號CLK在高電平的時候，與門的一個輸入是1，輸出結果徹底取決於R和S的開關。咱們能夠在這個時候，經過開關R和S，來決定對應Q的輸出。

 

若是這個時候，咱們讓R和S的開關，也用一個反相器連起來，也就是經過同一個開關控制R和S。只要CLK信號是1，R和S就能夠設置輸出Q。而當CLK信號是0的時候，不管R和S怎麼設置，輸出信號Q是不變的。這樣，這個電路就成了咱們最經常使用的D型觸發器。用來控制R和S這兩個開關的信號呢，咱們視做一個輸入的數據信號D，也就是Data，這就是D型觸發器的由來。

 

一個D型觸發器，只能控制1個比特的讀寫，可是若是咱們同時拿出多個D型觸發器並列在一塊兒，而且把用同一個CLK信號控制做爲全部D型觸發器的開關，這就變成了一個N位的D型觸發器，也就能夠同時控制N位的讀寫。

CPU裏面的寄存器能夠直接經過D型觸發器來構造。咱們能夠在D型觸發器的基礎上，加上更多的開關，來實現清0或者所有置爲1這樣的快捷操做。

4、總結延伸

好了，到了這裏，咱們能夠順一順思路了。經過引入了時序電路，咱們終於能夠把數據「存儲」下來了。咱們經過反饋電路，建立了時鐘信號，而後再利用這個時鐘信號和門電路組合，
實現了「狀態記憶」的功能。電路的輸出信號不僅僅取決於當前的輸入信號，還要取決於輸出信號以前的狀態。最多見的這個電路就是咱們的D觸發器，它也是咱們實際在CPU內實現存儲功能的寄存器的實現方式。

這也是現代計算機體系結構中的「馮·諾伊曼」機的一個關鍵，就是程序須要能夠「存儲」，而不是靠固定的線路鏈接或者手工撥動開關，來實現計算機的可存儲和可編程的功能。

有了時鐘信號和觸發器以後，咱們還差一個「自動」需求沒有實現。咱們的計算機還不能作到自動地不停地從內存裏面讀取指令去執行。這一部分，咱們留在下一講。下一講裏，咱們看看怎麼讓程序自動運轉起來。