建立数据通路(一)

指令周期(Instruction Cycle)

指令种类

1. Fetch(取得指令)
- 也就是从PC寄存器里找到对应的指令地址，根据指令地址从内存里把具体的指令，加载到指令寄存器中
- 然后把PC寄存器自增，好在未来执行下一条指令
1. Decode(指令译码)
- 也就是根据指令寄存器里面的指令，解析成要进行什么样的操作，是R、I、J中哪一种指令
- 具体要操作哪些寄存器、数据或者内存地址
1. Execute(执行指令)
- 也就是实际运行对应的R、I、J这些特定的指令，进行算术逻辑操作、数据传输或者直接的地址跳转
1. 重复进行 1 ~ 3的步骤
这样的步骤，其实就是一个永不停歇的"Fetch - Decode - Execute"的循环，我们把这个循环称之为指令周期(Instruction Cycle)

指令的布署

在上图的指令循环过程中，不同部分其实是由计算机中的不同组建完成的
在取指令(Fetch)的阶段，指令是放在存储器里的
实际上，通过PC寄存器和指令寄存器取出指令的过程，是由控制器(Control Unit) 操作的，指令的解码过程，也是由控制器进行的
一旦到了执行指令阶段，无论是进行算术操作、逻辑操作的R型指令，还是进行数据传输、条件分支I型指令，都是由算术逻辑单元(ALU)操作,也就是由运算器处理的
不过，如果是一个简单的无条件跳转，那么我们可以直接在控制器里面完成，不需要用到运算器

周期类型

Machine Cycle(机器周期、CPU周期)
- CPU内部的操作速度很快，但是访问内存的速度却要慢很多
- 每一条指令都需要从内存里面加载出来，所以一般把内存里面读取一条指令的最短时间，称为CPU周期
Clock Cycle(时钟周期、机器主频)
- 一个CPU周期，通常会由几个时钟周期累积起来的
- 一个CPU周期的时间，就是这几个Clock Cycle的总和

指令周期、机器周期、时钟周期的关系

对于一个指令周期来说，取出一条指令，然后执行它，至少需要两个CPU周期
取出指令至少需要一个CPU周期，执行至少也需要CPU周期，复杂的指令则需要更多的CPU周期
所以，我们说一个指令周期，包含多个CPU周期，而一个CPU周期包含多个时钟周期

建立数据通路

数据通路的组成(处理器单元)

操作元件
- 组合逻辑元件(Combinational Element)，其实就是我们的ALU
- 在前面讲ALU的过程中可以看到，它们的功能就是在特定的输入下，根据下面的组合电路的逻辑，生成特定的输出
存储元件
- 也叫状态元件(State Element)
- 比如我们在计算过程中需要用到的寄存器，无论是通用寄存器还是状态寄存器，其实都是存储元件
通过数据总线的方式，把它们连接起来，就可以完成数据的存储、处理和传输了，这就是所谓的建立数据通路

控制器

它的逻辑就没那么复杂，可以把他看成只是机械地重复"Fetch - Decode - Execute" 循环中的前两个步骤，然后把最后一个步骤，通过控制器产生的控制信号，交给ALU去处理
具体逻辑
- 一方面，所有CPU支持的指令，都会在控制器里面，被解析成不同的输出信号
- 之前说过，现在的Intel CPU 支持 2000 个以上的指令，意味着，控制器输出的控制信号，至少有2000种不同的组合
- 运算器里的ALU和各种组合逻辑电路，可以认为是一个固定功能的电路
- 控制器"翻译"出来的，就是不同的控制信号，这些控制信号，告诉ALU去做不同的计算
- 可以说正是控制器的存在，让我们可以“编程”来实现功能，能让我们的“存储程序型计算机”名副其实

CPU所需要的硬件电路

首先，自然是之前已经讲解过的ALU了，它实际就是一个没有状态，根据输入计算输出结果的第一个电路
第二，需要有一个能够进行状态读写的电路元件，也就是寄存器
- 需要有一个电路，能够存储到上一次的计算结果
- 这个计算结果并不一定要立刻拿到电路的下游去使用，但是可以在需要的时候拿出来用
- 常见的能够进行状态读写的电路，就有锁存器(Latch)，以及D触发器(Data / Delay Flip-flop)电路
第三,需要有一个"自动"的电路，按照固定的周期，不停实现PC寄存器自增，自动地去执行"Fetch - Decode - Execute"
- 程序执行，并不是靠人去拨动开关执行指令，希望有一个"自动"的电路，不停去一条条执行指令
- 看似写了各种复杂的高级程序进行各种函数调用、条件跳转，其实只是修改PC寄存器里面的地址
  - PC寄存器里面的地址一修改，计算机就可以加载一条指令新指令，往下运行
  - 实际上，PC寄存器还有一个名字，就叫做程序计数器，顾名思义，就是随着时间变化，不断去数数
  - 数的数字变大了，就去执行一条新指令
  - 所以，需要的就是一个自动数数的电路
第四, 需要有一个"译码"的电路
- 无论是对于指令进行decode,还是对于拿到内存地址去获取对应的数据或者指令
- 都需要通过一个电路找到对应的数据，这个对应的自然就是"译码器"的电路