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[计算机硬件知识] CPU 是怎么认识代码的?(四)

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发表于 2020-4-7 15:51:51 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
于是我们给CPU先设计8个输入针脚,4位指令,4位数据。
我们再设计3个指令:
0100,数据读入寄存器
0001,数据与寄存器相加,结果保存到寄存器
0010,寄存器数据向左位移一位(乘2)
为什么这么设计呢,刚才也说了,我们可以为每个模块设计一个激活针脚。然后我们可以分别用指令输入的第二第三第四个针脚连接寄存器,加法器和位移器的激活针脚。
这样我们输入0100这个指令的时候,寄存器输入被激活,其他模块都是0没有激活,数据就存入寄存器了。同理,如果我们输入0001这个指令,则加法器开始工作,我们就可以执行相加这个操作了。
这里就可以简单回答这个问题的第一个小问题了:
那cpu 是为什么能看懂这些二级制的数呢?
为什么CPU能看懂,因为CPU里面的线就是这么接的呗。你输入一个二进制数,就像开关一样激活CPU里面若干个指定的模块以及改变这些模块的连同方式,最终得出结果。
几个可能会被问道的问题
Q:CPU里面可能有成千上万个小模块,一个32位/64位的指令能控制那么多吗?
A:我们举例子的CPU里面只有3个模块,就直接接了。真正的CPU里会有一个解码器(decoder),把指令翻译成需要的形式。
Q:你举例子的简单CPU,如果我输入指令0011会怎么样?
A:当然是同时激活了加法器和位移器从而产生不可预料的后果,简单的说因为你使用了没有设计的指令,所以后果自负呗。(在真正的CPU上这么干大概率就是崩溃呗,当然肯定会有各种保护性的设计,死也就死当前进程)

细心的小伙伴可能发现一个问题:你设计的指令
【0001,数据与寄存器相加,结果保存到寄存器】
这个一步做不出来吧?毕竟还有一个回写的过程,实际上确实是这样。我们设计的简易CPU执行一个指令差不多得三步,读取指令,执行指令,写寄存器。
经典的RISC设计则是分5步:读取指令(IF),解码指令(ID),执行指令(EX),内存操作(MEM),写寄存器(WB)。我们平常用的x86的CPU有的指令可能要分将近20个步骤。
你可以理解有这么一个开关,我们啪的按一下,CPU就走一步,你按的越快CPU就走的越快。咦?听说你有个想法?少年,你这个想法很危险啊,姑且不说你有没有麒麟臂,能不能按那么快(现代的CPU也就2GHz多,大概也就一秒按个20亿下左右吧)
就算你能按那么快,虽然速度是上去了,但功耗会大大增加,发热上升稳定性下降。江湖上确实有这种玩法,名曰超频,不过新手不推荐你尝试哈。
那CPU怎么知道自己走到哪一步了呢?前面不是介绍了FF么,这个不光可以用来存中间数据,也可以用来存中间状态,也就是走到哪了。
具体的设计涉及到FSM(finite-state machine),也就是有限状态机理论,以及怎么用FF实装。这个也是很重要的一块,考试必考哈,只不过跟题目关系不大,这里就不展开讲了。
我们再继续刚才的讲,现在我们有3个指令了。我们来试试算个(1+4)X2+3吧。
0100 0001 ;寄存器存入10001 0100 ;寄存器的数字加40010 0000 ;乘20001 0011 ;再加三
太棒了,靠这台计算机我们应该可以打败所有的幼儿园小朋友,称霸大班了。而且现在我们用的是4位的,如果换成8位的CPU完全可以吊打低年级小学生了!
实际上用程序控制CPU是个挺高级的想法,再此之前计算机(器)的CPU都是单独设计的。
1969年一家日本公司BUSICOM想搞程控的计算器,而负责设计CPU的美国公司也觉得每次都重新设计CPU是个挺傻X的事,于是双方一拍即合,于1970年推出一种划时代的产品,世界上第一款微处理器4004。
这个架构改变了世界,那家负责设计CPU的美国公司也一步一步成为了业界巨头。哦对了,它叫Intel,对,就是噔噔噔噔的那个。




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