深入理解電腦系統（4.2）---硬體的魅力

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引言

 

　　這個系列已經很久沒更新了，記得上一篇博文已經是三月份了，實在是抱歉。最近業餘時間沒有以前充裕了，因此更新一篇博文已經變成了一種奢侈。記得以前剛開始寫的時候，最多的時候LZ一天寫過3篇博文，現在想想，往事如夢。

　　好了，好不容易寫一次，就不多說廢話了，本文主要介紹一下硬體以及HCL語言的內容。

 

從疑問開始

 

　　首先，在介紹本文的內容之前，我們先來思考一個看似簡單，卻實際比較“高深”的問題。眾所周知，電腦歸根結底是在和0、1打交道，那麼到底0和1是如何被電腦記住的呢？

　　怎麼樣，這個問題是不是有點像數學界的1+1為什麼等於2？是否瞬間感覺自己很高大上？

　　請穩住，其實這個問題的答案比1+1=2要簡單多了。答案就是電腦通過電壓來記錄0和1。在學習物理的時候大家肯定都聽說過電壓這個東西，它的單位一般是伏特（V）。比如我們常用的電壓一般是220V。電腦當中使用1V來代表1，使用0V代表0。

　　解答了這個問題，接下來我們就可以繼續我們的設計之路了。

 

設計的基礎

 

　　要談設計，就要知道設計的基礎。剛才其實我們瞭解了最基本的基礎，就是0和1如何表示，不過這隻是最根本的立足之本，我們還需要一些基本的元素。就像你要畫一個物體一樣，首先是點，然後才能點動成線，進而線動成面，最終面動成體。

　　剛才的0和1隻不過是點而已，接下來，我們要用點變換成線。這個東西就叫做邏輯門。

　　邏輯門是數字電路的基本計算元素，也可以看做是物理結構與邏輯結構的映射，它們實際上是由晶體管組成的。邏輯門接受訊號的輸入，並根據訊號產生一定的輸出，而輸出則是輸入的布爾函數，也就是說，輸出只能是0或者1。是and門（‘與’門）、or門（‘或’門）和not門（‘非’門）的標準符號，你可以看做它們代表了一組線路的組成方式。

 

　　and：               or：                not：

　　

　　可以看出，and和or都是2個輸入，而not為1個輸入。前面我們提到了HCL硬體設計語言，上面的三個圖分別用HCL表示則是，a&&b、a||b以及!a。

　　舉個例子，比如對於and門來說，它接受2個輸入，如果2個輸入都是高位電壓，則輸出的為高位電壓，也就是輸出為1。否則的話，都是輸出低位電壓，也就是輸出為0。這些就是建立在剛才1V為1，0V為0的基礎之上的。

　　

進階設計

 

　　現在我們已經掌握了基礎，那麼在基礎之上，我們就可以玩點花樣了。比如剛才所提到的邏輯門，它們只能接受1位的輸入和1位的輸出，比如我們可以計算0&&1為0。那如果我們希望計算更加複雜的運算式該如何做呢，比如10001&&11111=？（注意，這裡是位‘與’運算，而不是邏輯運算）。

　　答案就是組合電路。道理很簡單，一個邏輯門可以計算1位，如果我們弄來32個邏輯門，不就可以計算32位了嗎？那麼像上面那個10001&&11111的運算，我們就可以採取5個邏輯門去計算。當然，實際上並不是這樣的，這個後續我們會更加詳細的介紹。

　　不過電路往往是複雜的，不能隨便亂接，否則電死了誰負責？因此組合的電路需要遵循以下兩個原則。

　　1、兩個邏輯門的輸出不能串連到一起，否則它們可能會使線上的訊號矛盾，因此可能會得到一個不合法的電壓或故障。比如1個0V和1個1V接到一起，會不會出來個0.5V，又或者類似於正負極相接，直接短路了呢。

　　2、組合的電路必須是無環的。也就是說輸出不能再當做輸入，否則會使這個函數產生歧義。這個道理很簡單，比如數學上來說，如果c=a+b。我們這裡可以把c看做輸出，a和b看做輸入。如果a又等於c了，那麼是不是b就等於0了呢？當然不是，因為a此時其實是a+b，第二輪的c又會等於a+2b，同理，第三輪的c又會等於a+3b。那麼到底c=a+b還是c=a+2b還是c=a+3b？（這裡有點繞，請各位猿友仔細品味）

　　遵循以上原則，我們就可以隨意組裝電路了。比如在書中的這個電路。

　　它代表著輸出是a和b是否相等，如果用HCL來描述電路，就是(a && b) || (!a && !b)。我們不難看出來，這個運算式就是程式設計語言當中的a == b。

　　接下來這個圖是另外一個書中的例子，它被翻譯為多工器。其實之所以叫這個，就是因為其中的控制位s是可以複用的。如。

　　在這個例子當中還不是特別明顯，但是之後有更明顯的例子說明“複用”的含義。以上這個電路如果用HCL表達，則是(a && s) || (b && !s)。這個電路的含義是如果s為1，則結果為a，否則結果為b。

　　在書中對HCL運算式與C語言的運算式做了區分，有以下三點。

　　1、邏輯門是持續輸出的，但C語言運算式是執行到的時候才會求值。這個區別可以把邏輯門當成一個電路來看，電路是不能斷電的，電流會一直存在。

　　2、C語言中輸入可以是任意整數，而HCL只能是1和0。這點比較好理解。

　　3、對於a && b這個符號來說，C語言中的規定是如果前者為假，則後者不會再計算。而HCL當中沒有這種說法。

 

按位計算

 

　　以上所提到的，哪怕是進階設計，也依然是針對1位進行操作的。那麼如何才能真正操作多個位呢，比如平時常用的32位或者64位。

　　道理很簡單，就是多個1位操作一起進行，例如下面這個圖。

　　這個圖當中每個位相等的判斷都是上面所提到的兩個not門，兩個and門和一個or門組成的組合電路。它們並列的一起進行，最終再通過一個and門，就完成了判斷兩個32位的數字是否相等的操作。也就是運算式A == B，值得注意的是，這裡的A和B都是32位的。

　　還有一種類似於C語言中switch語句的運算式，就是如下形式。

　　

　　它代表的意思就是如果s為1，則輸出A，否則輸出B，同樣，這裡的A和B都是32位的。那麼使用電路如何表達呢？其實就是上次的複用電路的32位版本。如。

　　可以看到，s的not值是被複用的，否則的話，這裡需要32個not門。值得一提的是，HCL中條件選擇運算式中的條件是不需要互斥的，只是按照優先順序依次選取，這與C語言中的switch是不同的。

　　最後一種HCL運算式，是集合的形式。它表示需要拿一個輸入訊號與某些值做匹配。比如當中的S1和S0。

　　其中如果S1為code == 2 || code == 3，S0為code == 1 || code == 0。那麼HCL可以用另外一種方式表達，即code in {2,3}和code in {1,0}。可以看出，HCL運算式其實就是一種硬體表述方式。

　　

儲存空間和時鐘

 

　　上面我們介紹的都是組合電路，它們的作用是根據輸入來產生一個值。但是剛才也說過，組合電路是一直持續輸出的，因此它無法保持一個狀態不變。但我們的電腦是需要儲存資料的，因此就需要能儲存狀態的存放裝置。存放裝置則是由一個時鐘控制，時鐘就像一個開關一樣，它控制著存放裝置什麼時候更新裝置裡的值。

　　常用的存放裝置一般有兩種。

　　1、時鐘寄存器：儲存單個位或者單個字。時鐘訊號來控制寄存器是否要載入輸入的值。

　　2、隨即訪問儲存空間：儲存多個字。用地址來選擇該讀、寫哪個字。

　　時鐘寄存器的典型應用是PC、條件碼寄存器以及程式狀態。它們都有明確的輸入，這意味著它們的值其實是某幾個值的一個函數，比如條件碼寄存器的輸入主要就是邏輯計算單元的值，因此條件碼寄存器的值就可以看做是邏輯計算單元的函數。

　　時鐘寄存器一般是根據時鐘訊號來更新狀態的，而時鐘訊號就像一個表一樣，比如每到12點，寄存器的值就更新一下。就像下面的圖示一樣，當時鐘變化時，值就會變化y。

　　隨即訪問儲存空間最典型的例子就是我們的寄存器檔案（也就是8個程式寄存器）和隨即訪問儲存空間（也就是我們常說的記憶體）。它們沒有明確的輸入值，因此不存在函數關係。不論是寄存器檔案還是記憶體，都有讀和寫兩種操作，而對於時鐘寄存器來說，是無所謂讀和寫的，因為它只會根據輸入的變化改變輸出的值，是可以直接連接到電路上去的。

　　寄存器檔案一般有兩個讀連接埠和一個寫連接埠。每個連接埠都附帶一個地址來標識操作的是哪個寄存器，而對於寫連接埠，還有一個輸入資料，對於讀連接埠，則還有一個輸出資料。具體的圖示如下。

　　可以看到在寄存器檔案的寫連接埠處，有一個時鐘（clock）控制著寫的操作。當時鐘變化時，輸入資料的值將會更新到對應的寄存器當中。而對於讀資料，則類似於組合電路，根據輸入的地址值（src），寄存器檔案會輸出相應的資料。

　　對於隨即訪問儲存空間來說，與寄存器檔案非常相似。不同的是，隨即訪問儲存空間只有一個地址輸入，而不是三個，只有一個資料輸出而不是兩個。具體的圖示如下。

　　當地址（address）輸入，並且輸入資料（data in）輸入時，如果寫（write）輸入為1並且時鐘（clock）變化時，儲存空間中地址為輸入地址值的值將會變化，值就是輸入資料（data in）的值。同樣的，如果地址（address）輸入，並且寫（write）輸入為0，則輸出資料（data out）會輸出地址為輸入地址值的值。這裡還有一點特殊的是，當讀資料的時候，如果地址超出了範圍，error訊號將會輸出為1。回憶一下剛才的HCL語言，error其實就可以看做是一個組合電路的輸出，等於(address in > max address ) || (address in < 0)，即當輸入的地址值不在合法範圍內時，它的輸出為1。

 

小結

 

　　回憶一下本章的內容，其實就是結合HCL語言在講硬體的組成。而這些硬體，就是Y86處理器需要使用的。比如組合電路，儲存空間。到本章最後的時候，已經非常接近我們的編程領域了，可以看到有寄存器和記憶體的出現。但要注意的是，這裡的寄存器檔案並不等於寄存器，隨即訪問儲存空間也不等於記憶體，LZ只是想讓各位猿友更形象的去理解它。

　　下一章，就是帶著大家一起做一個順序實現的Y86處理器，這是一個非常低級但卻最基礎的處理器。如果你慢慢的進入了這個世界，你會覺得這是一件非常有意思的事情。就LZ本身來講，讀這本書的時候，最大的感受就是，每一章剛開始讀的時候都非常枯燥無味，但每當讀了幾節以後，就有種豁然開朗的感覺，這種感覺相信你一定也非常喜歡。

　　最後LZ再說明一下，本系列博文都是LZ在自己理解的基礎上寫的，因此儘管核心內容與原著相似，但語言描述上差異甚大，如果各位猿友看著不習慣的話，不妨去看看原著，或許會有不一樣的收穫。