计算机组成原理10——建立数据通路
建立数据通路
指令周期（Instruction Cycle）
计算机执行一条指令的过程，可以分解为一下这样及步骤。
- 取得指令（Fetch），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中把具体的指令加载到指令寄存器中，然后把PC寄存器自增。
- 指令译码（Decode），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。具体要操作哪些寄存器，数据或者内存地址。
- 指令执行（Execute），对应具体的指令，进行算术逻辑操作、数据跳转或者直接的地址跳转。
- 重复以上三步骤。
“Fetch-Decode-Execute”这样的循环，我们称之为指令周期。
指令存放在存储器里，取指阶段，通过PC寄存器和指令寄存器取指令的过程，由控制器操作。指令的解码过程，也是由控制器进行。到了执行阶段，就是由算术逻辑单元，也就是运算器处理。如果是一个简单的无条件地址跳转，直接在控制器里完成。
除了指令周期，还有另外两个常见的周期。
机器周期或者CPU周期。我们一般把从内存里读取一条指令的对短时间，称为CPU周期。
时钟周期。就是我们机器的主频。一个CPU周期，通常由几个时钟周期累积起来。
所以，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
数据通路就是我们的处理器单元。它通常由两类原件组成。
- 操作元件，也是组合逻辑元件，ALU。他的功能是在特定的输入下，生成特定的输出。
- 存储元件，也是状态元件。
我们通过总线的方式，把他们连接起来，就可以完成数据的存储、处理和传输了，这就建立了数据通路了。
控制器，他的逻辑就是循环取指和译码，然后把生成的控制信号，交给ALU去处理。不过它可以解析CPU支持的指令。
如何搭建CPU
第一，需要ALU，根据输入计算输出结果。
第二，我们需要能够进行状态读写的元件。能够存储上一次计算结果，在需要的时候拿出来用。如锁存器、D触发器。
第三，我们需要一个自动的电路，不停的实现PC寄存器自增，自动执行指令周期的步骤。
第四，我们需要一个译码的电路。
把这四类电路，通过各种方式组合在一起，就能实现CPU了。
自动电路的实现
也就是实现时序逻辑电路。
一开始下图的开关A打开，开关B闭合。一旦合上A，磁性线圈通电，产生磁性，B从闭合变成断开。一旦断开，电路中断，磁性线圈失去磁性。于是B又反弹回去成了闭合的状态。这样我们的电路就会来回不断地在开启、关闭两个状态切换。
存储电路的实现
我们先来看下面的RS触发器
以上电路
- 接通开关R，输出为1，断开开关输出还是1。
- 接通开关S，输出变为0，断开开关输出还是0。
- 当两个开关都断开时，输出结果取决于之前的输出结果
下图是该电路的真值表
此时我们在这个电路里加一个时钟信号和反相器如下图，就形成了D触发器。
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- 当CLK信号是1的话，R和S就可设置输出Q
- 当CLK信号是0的话，无论R和S如何设置，输出Q都是不变的
通过数据信号D写入操作，一个D触发器，只能控制1比特的读写。拿N个触发器，就可以同时控制N位的读写。CPU里面的寄存器就可以通过D触发器来构造。
译码电路的实现
译码器，就是从输入的多个位的信号中，根据一定的开关和电路的组合，选出自己想要的信号。
比如3-8译码器，通过三条输入信号来选择8个不同的地址。
PC寄存器的实现
加法器的两个输入，一个始终设置成1，另外一个来自D触发器。我们把加法器的输出结果，写入到D触发器里。D触发器里面的数据在时钟信号为1的时候更新。这样我们每过一个时钟周期，就能固定的增加1了。
建立数据通路，构造CPU
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