中央处理器

复习

指令系统基础：指令由操作码和操作数组成，可存入存储器
程序与程序计数器：程序是指令序列，PC 保存下一条指令地址
控制器：控制器按时序发出控制信号，协调各部件

TL;DR

运算器、寄存器组和控制器合起来，就是 CPU 的核心
CPU 不断重复取指、译码、执行和写回
从这一刻起，机器能自己沿着程序运行

正文

　　零件终于凑齐了。把 ALU、状态标志、寄存器、PC、IR 和控制器放进同一个盒子，这个盒子就是中央处理器，简称 CPU（Central Processing Unit）。

            ┌──────── CPU ────────┐
指令与数据 ─> 寄存器 <─> ALU      │
            │   ▲        │        │
            │   └── 控制器 ──> 控制信号
            └─────────────────────┘

　　值得一提的是，这个盒子里没有任何一个新零件。它只是把我们前面亲手搭过的部件，重新组织在了一起。

让一条加法指令跑起来

　　假设 IR 取到“把 A 与 B 相加，结果写进 R”：

控制器译出加法操作码
A、B 寄存器的输出进入 ALU
ALU 控制码切到加法，得到结果和状态标志
下一个时钟边沿，结果写入 R
控制器回到取指状态，按 PC 取得下一条指令

　　没有人再拨开关，也没有人再抄中间结果。时钟每走一拍，控制器就推动数据向前一步。机器第一次真正开始接管自己。

数据通路与控制通路

　　数值经过寄存器、ALU 和存储器走的路线，叫数据通路；控制器发出的选择、读写和使能信号走的路线，叫控制通路。

　　可以把数据想成车，数据通路是道路，控制信号是红绿灯。道路决定能去哪里，红绿灯决定这一刻谁可以走。两者缺一不可：没有道路，车无处可去；没有红绿灯，车就会在路口撞成一团。

我们的第一台自动机器

　　回头看看，最初画在纸上的运算器、存储器和控制器，如今已经不是几个陌生方框了。每一块，都是从逻辑门、触发器、选择器一点点搭起来的。

　　这台 CPU 已经能正确执行程序。它还不快，也还从未与键盘、屏幕见过面。在继续连接外界之前，有两篇补充分别讨论怎样缩短取数据的等待、怎样让多条指令重叠前进；不关心性能的读者可以直接去看总线。

思考题 1

　　若控制器误把“写入 R”的使能信号提前一拍打开，R 可能收到什么？为什么时序和逻辑功能同样重要？

思考题 2

　　数据通路和控制通路缺一不可。如果只保留数据通路、让控制器停摆，机器会是什么状态？

小结

知识点

CPU 的核心由运算器、寄存器组和控制器构成
CPU 循环执行取指、译码、执行与写回
数据通路搬运数值，控制通路安排动作

参考资料

Wikipedia(zh)：中央处理器：CPU 的组成与工作过程
Wikipedia(zh)：数据通路：数值流动的通道

思考题答案（仅供参考）

思考题 1

　　R 可能收下 ALU 尚未稳定的旧值或中间值。电路即使“最终会算对”，若在错误时刻采样，保存下来的仍会是错误结果。所以逻辑正确只是及格线，在正确的时间做正确的事同样决定成败。

思考题 2

　　数据通路还在，但没有任何信号去驱动它：寄存器不会收到写使能，ALU 不会知道该做哪种运算，PC 也不会更新。整台机器就像一条建好却没有红绿灯和交通信号的路，车都停在原地。可见控制通路负责让静止的结构真正“动起来”。

协议

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封面图

设计师 | 南国微雪