运算器总装
复习
- 减法器：减法器复用加法器，把减数取反再加一
- 算术逻辑单元：ALU 把算术与逻辑运算集成起来，用控制码选择运算
- ALU 状态标志：ALU 用零、负数、进位和溢出标志记录结果特征
TL;DR
- 运算器把输入、ALU、结果和状态标志连成一条数据通路
- 控制线决定数据走向和运算种类
- 我们已经造出“会算”的部分，接下来要让它“记住”
正文
桌上的零件终于攒够了。这一章，把它们拼成第一件真正像计算机部件的东西。
两个入口，一个出口
运算器最核心的路线，其实简单得出奇：
输入 A ─┐
├─> ALU ─> 结果
输入 B ─┘ └───> 状态标志
▲
控制码
把 A、B 送进去，再给一组控制码，ALU 就给出结果和几盏标志灯。
- 比如控制码设成加法，输入
0000 0101（5）与0000 0011（3），出口得到0000 1000（8）； - 把控制码改成按位与，同样的输入，出口就变成
0000 0001(1)。
数据走过的这条路叫 数据通路（datapath）。但注意，控制码不搬运数据，它只是让应该通过的数据通过，让数据流向正确的电路。数据是车，控制信号是红绿灯。
回过头看看，我们造出了什么
从最简单的与、或、非门开始，我们一路搭出了：
逻辑门
↓
半加器与全加器
↓
多位加法器
↓
加减法与逻辑运算
↓
ALU
↓
运算器
还记得前面那张计算机的草图吗？它由运算器、存储器、控制器、输入和输出组成。现在，第一大块“运算器”终于完成了。拼图完成了最中心的一片。
但它仍然只有一瞬间
别高兴太早。这台运算器有一个致命短板：它记不住任何东西。
试着用它算 2 + 3 + 4。第一步算出 5，没问题；可当你想进行第二步时，输入已经变了，那个 5 也随输入一起消失了。第二步没有地方把 5 取回来。
思考题 1
为什么仅有 ALU 还算不了
2 + 3 + 4？缺少的是新的运算规则，还是保存中间结果的能力？
所以，所以接下来目标非常明确： 让电路记住一个 0 或 1。
虽然听起来有点离谱，但我们好像从来没有试过让逻辑门绕回来连接自己（像条衔尾蛇那样）。也许会有些有趣的事情发生也说不定。
下一章，我们试试让电路首尾相连。
思考题 2
数据通路和控制通路各走什么信号？如果把它们画在同一张图里，你能指出哪几条线属于控制吗？
小结
知识点
- 运算器的基本数据通路
- 运算数据与控制信号承担不同职责
- 目前为止的 ALU 不能保存中间结果
- 计算机的下一块拼图是存储
参考资料
- Wikipedia(zh)：数据通路：数据在部件之间流动的路径
- Wikipedia(zh)：中央处理器：运算器最终嵌入的部件
思考题答案（仅供参考）
思考题 1
ALU 已经会加法，缺的只是保存中间结果 5 的能力。没有存储，第一步的输出在输入改变后就会消失，第二步无法继续使用它。所以这里只缺“记忆”。
思考题 2
数据通路上的数据参与运算，比如 A、B 和结果；控制通路上走的是控制信号，比如“选加法还是减法”“要不要写回”。
在前面那副字符画上，从控制码那一侧进来、箭头指向 ALU 或各个开关的，都属于控制通路。
分清这两类线，是理解后面 CPU 内部结构的关键。
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封面图
设计师 | 南国微雪