CPU的工作原理6——組裝CPU

前面我們介紹了所有的基礎(chǔ)零件，接下來就可以構(gòu)建CPU了，這節(jié)的內(nèi)容會比較多。

既然開始構(gòu)建CPU，就少不了程序，因為CPU就是用來執(zhí)行程序的。我們知道任何編程語言編寫的程序最終都會轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，所以這里我們直接使用二進(jìn)制的編程語言（機(jī)器語言）。比如我們讓CPU計算一個加法3 14，這個加法運(yùn)算用機(jī)器語言來描述的話就類似于下面這段二進(jìn)制：

看著挺亂是吧，沒關(guān)系，后面我們會講解。大家只要清楚這段二進(jìn)制的程序需要保存在內(nèi)存里，這樣CPU才能讀取并執(zhí)行。

不僅是程序，3和14作為運(yùn)算的數(shù)據(jù)也是保存在內(nèi)存里的，CPU要做的動作是從內(nèi)存中某個地址讀取數(shù)據(jù)3和14，然后根據(jù)程序要求（加、減……）對二個數(shù)字進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果保存在內(nèi)存中某個地址處。

要實現(xiàn)這樣的功能，必須有一個約定，要讓CPU能夠識別相應(yīng)的動作，即讀取、運(yùn)算、保存，所以我們建立如下約定：（稱為指令表）。

指令表可以理解為是程序的解釋器，當(dāng)CPU拿到一段程序，例如00101110時，它必須知道這意味著什么，而指令表就能起到答疑解惑的作用。

具體來說每段程序（指令）的前四位對應(yīng)著指令表中的操作碼，后四位對應(yīng)著指令表中的地址。比如00101110，前四位0010是操作碼，它的含義是LOAD_A（見指令表），代表讀取數(shù)據(jù)放入寄存器A。再看后四位1110，指令表中描述的內(nèi)容是“4位內(nèi)存地址”，這其實就是要讀取的數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址。連在一起的含義就是“在1110這個地址處讀取數(shù)據(jù)保存到寄存器A”。

接下來上電路！首先我們需要一塊內(nèi)存，可以直接使用上節(jié)提到的256B內(nèi)存，但為了方便起見，我們假設(shè)它只有16個地址，可以保存16個8位二進(jìn)制數(shù)。另外需要六個寄存器，每個可以保存一個8位二進(jìn)制數(shù)，其中寄存器A-D用于臨時存儲和操作數(shù)據(jù)，指令地址寄存器用于記錄程序運(yùn)行到哪里了（程序指令的地址），指令寄存器用于存放指令內(nèi)容。

接下來分析工作過程，當(dāng)計算機(jī)啟動時，所有寄存器初始值都是00000000，CPU開始進(jìn)入第一個階段：取指令，也就是從內(nèi)存中獲取指令。指令地址寄存器會連接到內(nèi)存，讀取地址為00000000的數(shù)據(jù)，即00101110，這個數(shù)據(jù)會保存在指令寄存器，第一個階段結(jié)束。

第二個階段：解碼，即弄清楚指令要做什么。其實前面我們已經(jīng)做了鋪墊，指令內(nèi)容是00101110，其中前四位0010是操作碼，在指令表中對應(yīng)的就是LOAD_A，指令后四位是1110，對應(yīng)的是4位內(nèi)存地址，整體意思就是從1110的位置讀取數(shù)據(jù)保存在寄存器A。但現(xiàn)在還沒有現(xiàn)成的電路能夠做解碼工作，所以我們需要添加一部分電路，如圖。

這部分新添加的電路我們暫且稱為解碼電路，指令寄存器的前四位數(shù)據(jù)0010作為解碼電路的輸入，經(jīng)過這些門電路的處理，最終會輸出1。換句話說，解碼電路的作用就是識別指令是否是0010（LOAD_A），只有指令是0010時，輸出才是1，否則就是0。

第三個階段：執(zhí)行。解碼電路的輸出會連接到內(nèi)存的允許讀取端口，而指令寄存器的后四位1110會連接到內(nèi)存的地址端口，這樣就相當(dāng)于允許讀取內(nèi)存地址為1110的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)是00000011（十進(jìn)制3）。

接下來這個數(shù)據(jù)要如何保存到寄存器A呢？我們需要讓解碼電路的輸出同時連接到寄存器A的允許寫入端口，而四個寄存器的數(shù)據(jù)輸入端口要連接到內(nèi)存的數(shù)據(jù)端口。當(dāng)數(shù)據(jù)00000011被讀取出來時，會同時發(fā)給四個寄存器，但只有寄存器A是允許寫入的，所以數(shù)據(jù)就被保存在寄存器A中了。

接下來將指令地址寄存器 1，變成00000001，以便取下一條指令，后面的步驟與前面類似。需要注意的是，前面的解碼電路只能識別第一條指令LOAD_A，后面每一條指令都需要單獨(dú)的解碼電路支持。我們把所有指令對應(yīng)的解碼電路和指令寄存器、指令地址寄存器等部分統(tǒng)一叫做控制單元。

接下來我們快速分析剩余的指令，現(xiàn)在指令地址是00000001，所以從內(nèi)存中取出00011111存入指令寄存器。前四位0001對應(yīng)的指令就是LOAD_B，后四位1111是要讀取的內(nèi)存地址，對應(yīng)的數(shù)據(jù)是00001110（十進(jìn)制14），這個數(shù)據(jù)會被存放到寄存器B中。然后指令地址寄存器 1（00000010），繼續(xù)取下一條指令。指令內(nèi)容是10000100，前四位1000在指令表中對應(yīng)的是ADD，后四位0100分別是二個寄存器的地址01和00（因為寄存器A-D只有四個，用二位二進(jìn)制數(shù)就可以描述），其中00是寄存器A，01是寄存器B，所以這個指令的作用就是將寄存器A、寄存器B的值相加。涉及到加法，就要用到之前講過的算術(shù)邏輯單元，也稱運(yùn)算單元（ALU）了，我們簡化一下電路如下：

寄存器A、B會通過控制單元連接到運(yùn)算單元的二個輸入端，同時控制單元會將操作符也傳遞給運(yùn)算單元，這樣就可以計算了。計算的結(jié)果必須保存起來才行，但指令本身并未明確保存在哪里，所以這里面有個約定，運(yùn)算結(jié)果會保存在指令地址中最后一個寄存器里，二個寄存器地址分別是01和00，后面就是00，也就是寄存器A，所以最終結(jié)果會通過控制單元保存到寄存器A中，這個結(jié)果是00010001（十進(jìn)制17）。

指令地址寄存器 1（00000011），繼續(xù)取下一條指令。指令內(nèi)容是01000111，前四位0100表明指令是STORE_A，即將寄存器A的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，內(nèi)存地址就是指令的后四位0111，控制單元會發(fā)送給寄存器A允許讀取信號，發(fā)送給內(nèi)存允許寫入信號，將寄存器A的值保存在內(nèi)存中對應(yīng)的位置。

終于我們完成了一句簡單的程序任務(wù)，兩數(shù)相加，并成功保存結(jié)果。我們會發(fā)現(xiàn)每個指令的讀取、解碼、執(zhí)行，相當(dāng)于一個周期，CPU就是不斷的重復(fù)這個周期，進(jìn)而完成各類任務(wù)。在每個周期中算術(shù)邏輯單元、控制單元、存儲單元（內(nèi)存）都需要密切配合，節(jié)奏不能亂，才能保證最后的結(jié)果正確。但如何確保這個節(jié)奏是恰當(dāng)?shù)哪兀考炔荒芴?，因為即使是電信號的處理也需要時間，也不能太慢，造成計算效率太低。所以有一個單獨(dú)的電路在控制這個節(jié)奏，就好像一臺時鐘，精確的指揮各個部分有條不紊的運(yùn)行。CPU都有一個重要的指標(biāo)：主頻，例如2.6GHz，相當(dāng)于26億次周期/秒，意味著一秒鐘內(nèi)CPU會執(zhí)行26億次周期，主頻越高的CPU代表速度越快。我們把帶有時鐘電路的算術(shù)邏輯單元、控制單元、6個寄存器封裝成一個相對獨(dú)立的部分，這就是CPU！

至此，我們從一個簡單的晶體管開關(guān)開始，一路添磚加瓦，終于打造了一個完整的CPU，當(dāng)然也是最基礎(chǔ)的CPU。相信這個系列文章能讓我們對硬件與軟件的結(jié)合點有了清晰的認(rèn)知，我們?nèi)粘Ｋ褂玫母黝愜浖际浅绦蛑噶罹帉懗鰜淼?，每個程序的每條指令在CPU內(nèi)部都會經(jīng)歷眾多晶體管開關(guān)的處理，最終完成我們希望的任務(wù)。