深刻浅出计算机组成原理学习笔记：第十八讲

1、引子

上一讲，咱们看到，要可以实现一个完整的CPU功能，除了加法器这样的电路以外，咱们还须要实现其余功能的电路。其中有一些电路，和咱们实现过的加法器同样，只须要给定输入，
就能获得固定的输出。这样的电路，咱们称之为 组合逻辑电路（Combinational Logic Circuit）。

一、只有组合逻辑电路咱们的CPU会是什么样的？

可是，光有组合逻辑电路是不够的。你能够想一下，若是只有组合逻辑电路，咱们的CPU会是什么样的？电路输入是肯定的，对应的输出天然也就肯定了。

那么，咱们要进行不一样的计算，就要去手动拨动各类开关，来改变电路的开闭状态。这样的计算机，不像咱们如今天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，干不了太复杂的工做，只能协助咱们完成一些计算工做。

二、时序逻辑电脑解决了什么问题？

这样，咱们就须要引入第二类的电路，也就是 时序逻辑电路（Sequential Logic Circuit）。时序逻辑电路能够帮咱们解决这样几个问题。

第一个就是 自动运行的问题。时序电路接通以后能够不停地开启和关闭开关，进入一个自动运行的状态。这个使得咱们上一讲说的，控制器不停地让PC寄存器自增读取下一条指令成为可能。

第二个是 存储的问题。经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，而不是像组合逻辑电路那样，一旦输入有任何改变，对应的输出也会改变。

第三个本质上解决了各个功能按照 时序协调的问题。不管是程序实现的软件指令，仍是到硬件层面，各类指令的操做都有前后的顺序要求。时序电路使得不一样的事件按照时间顺序发生。

2、时钟信号的硬件实现

想要实现时序逻辑电路，第一步咱们须要的就是一个 时钟。我在第3讲说过，CPU的主频是由一个晶体振荡器来实现的，而这个晶体振荡器生成的电路信号，就是咱们的时钟信号。

实现这样一个电路，和咱们以前讲的，经过电的磁效应产生开关信号的方法是同样的。只不过，这里的磁性开关，打开的再也不是后续的线路，而是当前的线路。

一、时钟信号

在下面这张图里你能够看到，咱们在原先通常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，由咱们手工控制；另一个开关B，
一开始是合上的，磁性线圈对准一开始就合上的开关B。

因而，一旦咱们合上开关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。因而，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。咱们的电路就会来回不断地在开启、关闭这两个状态中切换。

这个不断切换的过程，对于下游电路来讲，就是不断地产生新的0和1这样的信号。若是你在下游的电路上接上一个灯泡，就会发现这个灯泡在亮和暗之间不停切换。
这个按照固定的周期不断在0和1之间切换的信号，就是咱们的 时钟信号（Clock Signal）。

 

二、反馈电路

通常这样产生的时钟信号，就像你在各类教科书图例中看到的同样，是一个振荡产生的0、1信号。

 

这种电路，其实就至关于把电路的输出信号做为输入信号，再回到当前电路。这样的电路构造方式呢，咱们叫做 反馈电路（Feedback Circuit）。

接下来，咱们还会看到更多的反馈电路。上面这个反馈电路通常能够用下面这个示意图来表示，其实就是一个输出结果接回输入的 反相器（Inverter），也就是咱们以前讲过的非门

 

3、经过D触发器实现存储功能

一、有记忆功能的电路

有了时钟信号，咱们的系统里就有了一个像“自动门”同样的开关。利用这个开关和相同的反馈电路，咱们就能够构造出一个有“记忆”功能的电路。这个有记忆功能的电路，
能够实如今CPU中用来存储计算结果的寄存器，也能够用来实现计算机五大组成部分之一的存储器。

 

咱们先来看下面这个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。

 

1. 在这个电路一开始，输入开关都是关闭的，因此或非门（NOR）A的输入是0和0。对应到我列的这个真值表，输出就是1。而或非门B的输入是0和A的输出1，
对应输出就是0。B的输出0反馈到A，和以前的输入没有变化，A的输出仍然是1。而整个电路的 输出Q，也就是0。

2. 当咱们把A前面的开关R合上的时候，A的输入变成了1和0，输出就变成了0，对应B的输入变成0和0，输出就变成了1。B的输出1反馈给到了A，A的输入变成了1和1，
输出仍然是0。因此把A的开关合上以后，电路仍然是稳定的，不会像晶振那样振荡，可是整个电路的 输出Q变成了1。

3. 这个时候，若是咱们再把A前面的开关R打开，A的输入变成和1和0，输出仍是0，对应的B的输入没有变化，输出也仍是1。B的输出1反馈给到了A，A的输入变成了1和0，输出仍然是0。这个时候，电路仍然稳定。 开关R和S的状态和上面的第一步是同样的，可是最终的输出Q仍然是1，和第1步里Q状态是相反的。咱们的输入和刚才第二步的开关状态不同，可是输出结果仍然保留在了第2步时的输出没有发生变化。

4. 这个时候，只有咱们再去关闭下面的开关S，才能够看到，这个时候，B有一个输入必然是1，因此B的输出必然是0，也就是电路的最终 输出Q必然是0。

二、触发器

这样一个电路，咱们称之为触发器（Flip-Flop）。接通开关R，输出变为1，即便断开开关，输出仍是1不变。接通开关S，输出变为0，即便断开开关，输出也仍是0。也就是，
 当两个开关都断开的时候，最终的输出结果，取决于以前动做的输出结果，这个也就是咱们说的记忆功能。这里的这个电路是最简单的RS触发器，也就是所谓的复位置位触发器（Reset-Set Flip Flop) 。对应的输出结果的真值表，你能够看下面这个表格。能够看到，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。

 

再往这个电路里加两个与门和一个小小的时钟信号，咱们就能够实现一个利用时钟信号来操做一个电路了。这个电路能够帮咱们实现何时能够往Q里写入数据。

咱们看看下面这个电路，这个在咱们的上面的R-S触发器基础之上，在R和S开关以后，加入了两个与门，同时给这两个与门加入了一个时钟信号CLK做为电路输入

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，不管咱们怎么按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，输出结果彻底取决于R和S的开关。咱们能够在这个时候，经过开关R和S，来决定对应Q的输出。

 

若是这个时候，咱们让R和S的开关，也用一个反相器连起来，也就是经过同一个开关控制R和S。只要CLK信号是1，R和S就能够设置输出Q。而当CLK信号是0的时候，不管R和S怎么设置，输出信号Q是不变的。这样，这个电路就成了咱们最经常使用的D型触发器。用来控制R和S这两个开关的信号呢，咱们视做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。

 

一个D型触发器，只能控制1个比特的读写，可是若是咱们同时拿出多个D型触发器并列在一块儿，而且把用同一个CLK信号控制做为全部D型触发器的开关，这就变成了一个N位的D型触发器，也就能够同时控制N位的读写。

CPU里面的寄存器能够直接经过D型触发器来构造。咱们能够在D型触发器的基础上，加上更多的开关，来实现清0或者所有置为1这样的快捷操做。

4、总结延伸

好了，到了这里，咱们能够顺一顺思路了。经过引入了时序电路，咱们终于能够把数据“存储”下来了。咱们经过反馈电路，建立了时钟信号，而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。电路的输出信号不仅仅取决于当前的输入信号，还要取决于输出信号以前的状态。最多见的这个电路就是咱们的D触发器，它也是咱们实际在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，就是程序须要能够“存储”，而不是靠固定的线路链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以后，咱们还差一个“自动”需求没有实现。咱们的计算机还不能作到自动地不停地从内存里面读取指令去执行。这一部分，咱们留在下一讲。下一讲里，咱们看看怎么让程序自动运转起来。