34、P1 W5 U5.3 中央处理器（待完善）

2019-09-25 本文已影响0人 shazizm

视频：
如果本次课程对应的 Coursera 的视频打不开，可以点击下面链接
P1W5U5.3 - Central Processing Unit

第五周，前两节课 U5.1 和 U5.2 基本上大概描述了一下总线和 CPU 执行程序时的运行方式。

这节课 U5.3，老师就提供了一种实现CPU的逻辑单元组成图。

老师在给出一种方案前，还是要再说说抽象概念。感叹了一下CPU的神奇与美丽，静态程序马上就可以被运行起来了，仔细想想是挺不可思议。

CPU黑盒

CPU黑盒，执行当前命令，准备下一条要执行的命令

讲CPU的内部方案前，先说明一下黑盒对外的输入输出，主要就是和数据存储和程序存储的交互。

黑盒左侧三个输入

16位data 要被当前命令处理的数据
16位instruction 当前的命令
还有1位输入之后再说 reset

CPU 的输入项

黑盒右侧四个输出

16位outM 要写回的数据（往data memory存的数据）
1位writeM 是否写标识（决定上面数据要不要写，也可以丢弃）
15位addressM 要存哪（如果决定写入，那么这个提供写入data memory里的地址）
15位pc 下一条要执行的命令的地址（这个很重要，接下来会讲到）

CPU 的输出项

打开黑盒

老师提供了其中一种高效简洁的方案，如下图

蓝色框的左右侧是上面提到的输入和输出。

蓝色框内部，一看都是我们之前学过的。
（ALU 回顾 U2.4）
（PC 回顾 U3.4）

c 符号是控制位 control bits 不过这些从哪里来？老师故意不说清楚的，就是让学生在作业里自己搞明白...，命令里提取出来的？

黑盒内部

下面老师分三部分来讲解 CPU黑盒的内部

黑盒第一部分

19.png

第一部分主要是处理指令，放大如下

首先如下图，看一个指令@3001，回顾U4.3我们知道
@3001 就是把 3001 存入A register

（指令分 A指令和 C指令，回顾U4.3）

A register 还有可能存入 ALU 的数据输出（上图的outM），有一个Mux16的c控制位决定。

A register 根据之前 U4.3 的知识回顾，有三个功能。

A命令有设置常数参与计算的功能。应该就是上图A register输出走入ALU的箭头路线。

A命令，还有自动选取M 寄存器的功能。所以上图 A register输出不加控制位，直接有一箭头走到 addressM

A命令，还有可能参与跳转，所以上图再往下 A register输出有一箭头走到了PC（回顾U4.3 实例练习3）

@3001 的二进制数最左侧是0，代表是A指令

黑盒第二部分

在开始讲第二部分前，回顾一下C指令（具体请看 U4.4）

最左边一位为1，代表C-指令，然后依次往右两位没用到，但是惯例设成1。
然后7位蓝色0011111 代表 comp （决定选择哪些寄存器，参与什么运算）
然后3位绿色010 代表 dest（决定结果存在哪里）
最后3位红色111 代表 jump（决定运算结果与0进行那种判断，跳转位置需提前存在A寄存器）