CPU运行指令

搭建计算机

数据不保存，是没有意义的。所以我们需要制造可以保存数据的电路，这个电路既可以读取，也可以写入数据。之前我们所有的电路都是一路向前的，有没有想过把输出接到输入上会怎样？

我们来看一个吃自己的小电路，这是一个或门，我们把输出接回到其中一个输入上。然后再增加电源，给它来一个1，也就是高电压。你看或门的输出变成了1。然后这个1又回到了或门的第二个输入，也就是它把自己的输出又吃了回去。现在，即使我们断开第一个输入，或门的输出也还是1，这样我们就保存了一个1。

但是这个电路有个小问题，就是这个改变是永久性的，只要不断电，那么这个或门的输出就永远是1，这样的话也没啥大用。我们想要一个可以按照需求改变的电路，把这个或门电路拓展一下，我们就得到了这样的一个电路。有2个输入，1个SET，1个RESET。

SET可以让电路保存1，RESET可以让电路保存0。看起来好像可以工作了的样子，功能上没啥问题，就是太费线了。如果要保存8位数据，那么需要8个这样的电路。就需要16根线，来分别控制每个电路的SET和RESET。

这要是存个1024个字节，那就是1024x2根线。1024个字节，我们称为1KB。而1MB=1024x1KB，1GB=1024x1MB，那就很难想象如何存取1MB甚至1GB的数据。那得需要多少条线啊！

那么，我们再改进一下，做一个这样的电路。这个电路也有2个输入，1个写入，1个使能。使能相当于一把锁，可以控制数据的写入。当这把锁是0，写入无论怎么改变，都不能保存，这就是锁上的状态；当这把锁是1，也就是锁打开了，你写入1，然后再把锁关闭，那么这个1就锁在里面了。

你看，我们又可以保存1个比特的信息了，这个电路比上个电路优点在哪呢？假设我们要存1个字节也就是8位的数据，那么我们可以用8个这样的电路。然后让这8个电路公用同一把锁，1根线就够了。数据写入是分开的，共有8根线。当锁打开的时候，8个位都可以写入；当锁关闭的时候，8各位都不能写入。这样一共只需要9根线，就可以组成1个8位的存储单元了。

如果你堆叠的更多，可以形成16位、32位、64位的存储单元。这样的电路多用在寄存器上，它的执行速度比较快。我们称之为SRAM，静态随机访问存储。也可以用SRAM来做内存，但是成本比较高。

SRAM存储1位，就要用到6个逻辑门，10个晶体管。在芯片上占的面积大，而且很贵啊！所以在实际的CPU中，寄存器的数量不会太多。百个左右，也就是KB级别的。而主流的内存都是用DRAM，动态随机访问存储。

这个动态是哪里在动呢？我们先来了解一个新的元件-电容。电容的结构很简单，一般有两片金属电极，中间夹一层绝缘材料。然后两个电极上接上导线，一个电容就做成了。当我们给电极通电，电荷会在金属电极上积聚；当你把电断开后，电荷仍存在。

这是由于同性相斥、异性相吸形成的一个静电场。我们来搭建一个简单的电路，使用一个电容，以及一个PNP三极管作为开关。可以看到当开关闭合后后，三极管导通，电容就开始充电；当开关断开后，三极管也断开，但是电容仍然带电，OUTPUT会输出一个高电压，这时OUTPUT就保存了1。

但是呢，电容里的电量，会一点点漏掉，最终会完全放电，而电压也就消失了。所以需要定期给电容充电，以让它保持电压。也即保证数据不丢失，定期充电我们称之为刷新。这就是动态的由来，8个这样的存储单元可以保存1个字节。SRAM，只要0或者1保存进去，它就会一直在那里。DRAM，如果要保持0或者1，就要一直刷新，所谓静态与动态是相对的概念。

好了，我们现在有了制造寄存器和内存单元的电路，如果我们有多个存储单元，比如有4个，那么我们怎么找到它们呢？也就是我们如何处理这些存储单元定位的问题。我们搭建一个电路，有2个输入X、Y，还有A、B、C、D4个输出。X、Y分别有0、1这2种状态，那么组合一共有00、01、10、11四种状态。X、Y都为0，则C的输出为1；X=0，Y=1，则D的输出为1；X=1，Y=0，则A的输出为1；X、Y分别为1，则B的输出为1。

A、B、C、D这4根线，分别接到4个1字节存储单元的ENABLE线上，是不是就可以控制4个存储单元的写入了？输入为00、01、10、11时，可以分别找到C、D、A、B。00、01、10、11对应一个特定的位置，就像一个门牌号。我们把X、Y称之为地址线，而A、B、C、D称之为地址。2根线最多寻找4个地址，这就是2根线的寻址能力。

如果拓展到3根线，则可以表示8个位置，同样可以通过设计相应的电路实现。以111为例，通过2个与门即可让输入111时，找到门牌号为111的那根线。那么3根线的寻址能力为2x2x2，也就是8个地址。

我们来做一个4根线的选择器，它的寻址能力为2的4次方，也就是16个地址，这是我们会用到的一个内存组。它可以保存16个字节的数据，它的地址从0000，一直延伸到1111。

我们再来制造一个寄存器组，每个寄存器单元为1个字节，所以需要一组8位宽的数据线。然后在放置8个寄存器单元，把前面制作的3线选择器放在上方，这样就可以找到每一个寄存器单元，这就形成了一个8个字节的寄存器组。每一个寄存器都可以单独定位，执行写入和读取。

现在我们有了更高级的元件，可以开始搭建CPU了。首先我们放一个ALU，这个是在上一期视频中搭建的。接受2个输入，每个输入位1字节，也就是8位。输出是1字节，也是8位，同时也输出结果是否为0，是否溢出等逻辑状态。然后再放4个通用寄存器，分别为A、B、C、D。这4个寄存器主要是用于计算过程中使用，它们都是8位的寄存器。IC和IP是两个专用寄存器，IC用来给指令计数，IP用来存储指令地址。

计算机中的指令，在最底层是以电压的高低存在。高高低低的电压，进入不同的电路，产生各种结果。我们用1和0来表示电压高低，这种二进制形式的指令，称之为机器语言。它比电压的高低还是好记一些，现在我们制定几个简单的指令。

LOAD_A为0000，功能是把紧跟在后面的一个4位地址的内容加载到寄存器A。LOAD_B为0001，与LOAD_A类似，只不过把数据加载到寄存器B。ADD为0100，是加法指令，把指定的两个寄存器中的数字相加，然后保存到第一个寄存器。STORE_A是存储指令，把A中的数据存储到紧跟在后面的4位地址中，它的二进制编码，是1000。

0001、0100是机器语言指令，会被转换为高低电压信号，然后被计算机执行。而0001、0100这种二进制数字是在是难以记忆的，所以人们给它们起了诸如LOAD_A、ADD等别名，这样对编程人员会更加友好一些。这样的别名组成的语言，就是汇编语言。

而计算机是如何识别汇编语言呢？比如你写了一个LOAD_B，那么LOAD_B首先会被转为2进制的形式，就是0001。计算机当然也不会理解0001，它是通过电路来理解具体的指令。

我们这里做一个解码电路，它只有在输入为0001时，输出才为1。它可以判断指令是否为0001，其他的指令也是同理。

内存部分也可以加进来了，我们的内存一共有16个字节，共需4位的门牌号来标示每个地址。解码器也放置到位，它可以接受4位的指令，解码后再输入到相应的电路。用个框框圈起来，这一部分被称为控制单元，也就是CU。当然CU还包括一些存取的电路，这里我就不画了。

我们把4个寄存器连接到CU，建立CU与寄存器的连接，同时寄存器也连接到内存，这样数据就可以在寄存器与内存间传递。然后把ALU的输入和输出连接到CU，寄存器中的内容可以由CU送到ALU的输入。ALU的输出也可以送到CU，然后再保存到寄存器。最后把内存也连接到CU，CU可以从内存中读取指令，也可以把数据写入到内存等。

这里要注意一下，内存到CU有两组线，地址线和数据线。CU要负责找到相应的地址，并且读取数据、指令等。然后我们再加一个框框，框起来的部分我们叫CPU。这样，我们就搭建了一台冯·诺伊曼架构的计算机。

冯·诺伊曼架构是指存储程序计算机，CPU要执行的指令，以及要处理的数据，都要先进入内存，然后再进入CPU。现代CPU还会有多级缓存，主要是为了解决CPU运算速度够，而读取数据不够的问题。

还会有分之预测的电路，也是为了提高运算速度。我们这个小小的CPU，主要是为了研究原理。那么多电路估计各位也记不住，主要是让你形成印象，知道CPU内部是怎么做计算的就可以了。

运行指令

现在我们就用这几个指令来写个小程序，目的是为了把2个数字相加，然后再把结果存到内存中。程序对应的代码就是这4行

计算机执行这些指令分三个步骤，把指令拿过来，看看什么意思，然后送去执行。执行完毕后再进行下一条，还是同样的步骤：取指、解码、执行。

我们把刚才写的小程序放到计算机内存里，冯·诺伊曼架构的计算机是存储程序计算机，所以我们的指令和数据必须先放到内存。计算机里存储数据、指令包括内存地址都是二进制的，为了方便查看，我们把二进制指令转换为汇编指令。把二进制内存地址也转为十六进制。

我们把这个小程序拆分成具体的动作，指令计数器在CPU初始化完成后，被置为0。然后控制单元到内存地址为0的位置取指令，这里存储的指令为LOAD_A 7，指令会进入IP。经过解码器解码后，进入执行阶段，这是一个加载指令。把门牌号为7的内存地址的内容，加载到寄存器A。7号地址存的是数字8，数字8就进入了寄存器A。第一条指令执行完成，然后IC加1，到下一个位置取指令。同样经过取指、解码、执行三个阶段，LOAD_B 8执行后，数字6进入了寄存器B。

然后IC继续加1，这里的指令是ADD A B。寄存器A中的数字8和寄存器B中的数字6，被送往ALU的两个输入端，经过计算后产生结果14。14会被控制单元再存回寄存器A，这时寄存器A的内容为数字14。IC再加1，得到指令STORE_A 15。STORE_A指令会把寄存器A中的内容，存到门牌号为15的内存。数字14进入15号内存地址，这个程序就执行完毕了。

这就是绝大多数的计算机执行指令的过程