Code The Hidden Language of Computer Hardware and Software 学习:从零理解寄存器和总线

一、先从最简单的问题开始信息放在哪里你用计算器按下 3 5计算器需要先把 3 记住才能再加上 5。CPU 也一样——它在做任何计算之前必须先把数字存在某个地方。存数字的地方有两类慢但多 快但少 ------------------ -------- | | | 3 | -- 寄存器CPU 内部 | 内存RAM | | 5 | | 能存几十亿字节 | | ... | | | -------- ------------------内存RAM容量大但在 CPU 外面存取需要时间寄存器Register容量极小只有几个但在 CPU 芯片内部存取几乎是瞬间完成的二、寄存器是什么用生活比喻想象你是一个厨师冰箱内存 操作台寄存器 ------------------ -------------- | 鸡蛋 x12 | | 鸡蛋2个 | 面粉 | | 面粉 5kg | 拿来 -------------- | 牛奶 2L | 你只有这几个格子 | ...很多东西... | 但你能直接动手操作的 ------------------ 就是这里的东西冰箱 内存东西多但每次都要走过去拿操作台的几个格子 寄存器就在手边直接用CPU 就是那个厨师做任何计算加减乘除之前都要先把数从内存搬到寄存器里。三、寄存器的物理本质锁存器寄存器的底层是锁存器Latch——一种能记住一个 bit 的电路。8 个锁存器组合在一起就能记住 1 个字节8 bit一个 8 位寄存器的内部 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 [D] [D] [D] [D] [D] [D] [D] [D] | | | | | | | | 0 1 1 0 0 1 0 1 - 存着 0x65 这个字节有两个控制信号信号作用Clock时钟来一个脉冲就把输入的值锁进去保存Enable使能打开时把存的值输出出去关闭时输出高阻抗相当于断开高阻抗这个词可以理解为这根线什么都不说就好像它不存在一样不影响别人。四、Intel 8080 的七个寄存器我们正在学习的 CPU基于 Intel 8080有 7 个 8 位寄存器--- --- --- --- --- --- --- | A | | B | | C | | D | | E | | H | | L | --- --- --- --- --- --- --- 累加器 通用 通用 通用 通用 高字节 低字节 最重要A累加器Accumulator所有的计算结果都存在这里。你让 CPU 做加法两个数相加答案存到 A你让 CPU 做减法结果存到 A你让 CPU 做 AND、OR、XOR结果存到 AA 就像计算器上的显示屏所有运算都围绕它转。B、C、D、E通用寄存器用来临时存放数据辅助计算。比如要算(3 5) × 2你可以把 3 放进 A把 5 放进 BADD BA A B 8把 2 放进 B……8080 没有乘法但可以用加法模拟H 和 L特殊的一对HHigh高字节和 LLow低字节组合在一起形成一个16 位地址用来指向内存的某个位置地址H×256L\text{地址} H \times 256 L地址H×256L例子H 0x20, L 0x44 [HL] 0x2044 -- 这就是内存地址 8260这叫间接寻址不在指令里写死地址而是说去 HL 指向的地方。五、寄存器数组把 7 个寄存器组织在一起7 个寄存器不是各自独立存在的它们被组织成一个寄存器数组。用 3 位二进制编码来选择操作哪个寄存器3位码寄存器000B001C010D011E100H101L110[HL]内存不是寄存器111A寄存器数组的结构数据输入8位 | ------------------------------------ | | | | | [A] [B] [C] ... [H] [L] - 锁存器 | | | | | [TRI] [TRI] [TRI] ... [TRI] [TRI] - 三态缓冲器 | | | | | ------------------------------------ | 数据输出8位 左边的 3-to-8 译码器控制哪个锁存器的 Clock 打开写入 右边的 3-to-8 译码器控制哪个三态缓冲器的 Enable 打开读出3-to-8 译码器就是把 3 位输入变成 8 个输出里选 1 个为高的电路输入 010 - 输出0 0 1 0 0 0 0 0 ^ 第2个输出为高 - 选中寄存器 CD对应010六、总线是什么先理解多条线的问题CPU 里有很多组件寄存器、ALU、内存……它们都需要互相传递数据。如果每两个组件之间都连一根专线会变成这样寄存器A ---线--- ALU 寄存器A ---线--- 内存 寄存器B ---线--- ALU 寄存器B ---线--- 内存 ALU ---线--- 内存 ...组件一多线就爆炸了而且芯片面积有限。总线的解决方案共用一条路总线Bus 所有组件共享的一条数据通路。就像城市里的公共汽车路线车站A 车站B 车站C 车站D | | | | ----------------------- 公共道路总线每个车站组件都连着这条路但同一时刻只有一辆车一份数据在路上跑。三态缓冲器每个组件的闸门每个组件连接总线的地方都有一个三态缓冲器Tri-State Buffer相当于闸门寄存器 A 的值 -- [三态缓冲器] -- 总线 | Enable 信号 1: 闸门开数据流出 0: 闸门关高阻抗相当于没有这根线规则同一时刻只能有一个三态缓冲器的 Enable 1。否则两个不同的值同时出现在总线上就会冲突就像两列火车在同一轨道相撞。七、两条总线数据总线 vs 地址总线CPU 里有两条总线功能完全不同数据总线Data Bus8 位宽传递数据内容字节。谁能往数据总线上说话输出 - RAM读内存 - 寄存器数组读寄存器 - ALU运算结果 - 指令锁存器2立即数 谁能从数据总线听话输入 - RAM写内存 - 寄存器数组写寄存器 - ALUB输入 - 指令锁存器1/2/3保存指令字节地址总线Address Bus16 位宽传递内存地址告诉 RAM 要访问哪里。谁能提供地址输出到地址总线 - 程序计数器 PC顺序取指令 - 指令锁存器23组合STA/LDA的绝对地址 - 寄存器对 HL间接寻址 谁接收地址从地址总线读 - RAM接收要访问的地址 - PC 锁存器更新 PC 值 - 增量器-减量器接收要 1/-1 的值 - HL 寄存器对更新 HL 值两条总线对比数据总线8位 地址总线16位 RAM --- 寄存器 PC ----- RAM | | HL ----- RAM ---[总线]-- IL23 -- RAM | | ALU --- ...八、一次完整的数据流动以LDA 2044h为例指令含义把内存地址 2044h 处的字节读入累加器 A。步骤分解步骤1PC 输出地址 0000h 到地址总线 - RAM 输出 3AhLDA 的操作码 数据总线3Ah - 指令锁存器1 步骤2PC 1 0001h - RAM 输出 44h地址低字节 数据总线44h - 指令锁存器2 步骤3PC 1 0002h - RAM 输出 20h地址高字节 数据总线20h - 指令锁存器3 步骤4指令锁存器23 合并 - 地址总线输出 2044h - RAM RAM 在地址 2044h 处读出数据比如 66h 数据总线66h - 写入累加器 A 最终A 66h用 ASCII 图示PC0000 RAM | | |---[地址总线: 0000h]----| |--[数据总线: 3Ah]-------| (读出操作码 LDA) | PC0001 |---[地址总线: 0001h]----| |--[数据总线: 44h]-------| (读出地址低字节) - 指令锁存器2 | PC0002 |---[地址总线: 0002h]----| |--[数据总线: 20h]-------| (读出地址高字节) - 指令锁存器3 | 指令锁存器23 2044h |---[地址总线: 2044h]----| |--[数据总线: 66h]-------| (读出目标数据) - 累加器 A A 0x66完成九、程序计数器PCCPU 的阅读指针PC 是一个 16 位的值记录着下一条要执行的指令在内存的哪个地址。内存内容 PC 的变化 地址 字节 指令 0000: 3Ah LDA 2044h PC 0000 - 读 3Ah 0001: 44h PC 0001 - 读 44h 0002: 20h PC 0002 - 读 20h 0003: C6h ADI 33h PC 0003 - 读 C6h下一条指令 0004: 33h PC 0004 - 读 33h 0005: 76h HLT PC 0005 - 读 76h - 停机PC 每读一个字节就 1就像你读书时手指从左到右移动。PC 的物理结构16 位锁存器 增量器[16位锁存器] --- [增量器1电路] --- [三态缓冲器] --- 地址总线 ^ | |_____________[保存新值]___________________________________|每次取完一个字节就把 PC 值送进增量器加 1结果存回锁存器。十、增量器-减量器专用的 1/-1 电路为什么不直接用 ALU 做 1因为 ALU 是 CPU 最宝贵的部件如果 PC 的自增也占用 ALUCPU 就无法同时做其他事情了。所以专门做一个简单的 1/-1 电路。**1 的逻辑增量器**很简单对二进制数 1从最低位开始 - 遇到 0把它变成 1停止不进位 - 遇到 1把它变成 0继续进位到高一位 例子 0110 1111 (0x6F) 0000 0001 ----------- 0111 0000 (0x70) 位01 - 变0进位 位11 - 变0进位 位21 - 变0进位 位31 - 变0进位 位40 - 变1停止这个规律用 XOR 和 AND 门就能实现不需要完整的加法器。OiIi⊕ViVi1Ii⋅ViO_i I_i \oplus V_i \qquad V_{i1} I_i \cdot V_iOi​Ii​⊕Vi​Vi1​Ii​⋅Vi​其中V01V_0 1V0​1初始进位OiO_iOi​是第iii位的输出IiI_iIi​是输入。十一、指令锁存器CPU 的便条纸CPU 从内存取来指令后需要先把指令字节放到某个地方才能继续执行。这就是指令锁存器指令锁存器1操作码Opcode 指令锁存器2第2字节立即数或地址低字节 指令锁存器3第3字节地址高字节举例执行STA 2044h操作码 32h指令锁存器1 32h -- 操作码CPU 看到这个就知道要存累加器到内存 指令锁存器2 44h -- 地址低字节 指令锁存器3 20h -- 地址高字节 合并地址0x2044 把 A 的值写到 RAM[0x2044]十二、一张图看懂全局8 位数据总线DO RAM ... | | | | | [IL1] [IL2] [IL3] - 指令锁存器 1/2/3 | 操作码 立即数 地址高字节 | | | | [三态缓冲器]---- 数据总线 | | | | [合并16位] | | | 16 位地址总线 | | | | | | [程序计数器] [增量器] [寄存器数组] | | | (HL部分) | --------------------- | | ---------- 地址输入 ---- 数据总线还连着 寄存器数组8位数据读写 ALU结果输出B输入 累加器A特殊路径十三、最重要的三条规律规律1同一时刻数据总线上只能有一份数据所有连到总线的组件同时只有一个三态缓冲器是开的。CPU 的控制电路负责协调。规律2寄存器是 CPU 的工作区内存是仓库计算只发生在寄存器里内存只负责存储。数据的流动内存 → 寄存器 → ALU → 寄存器 → 内存。规律3A累加器是所有计算的中心ADD B\text{ADD B}ADD B的真正含义A←ABA \leftarrow A BA←AB结果回到 A。XRA M\text{XRA M}XRA M的真正含义A←A⊕MEM[HL]A \leftarrow A \oplus \text{MEM[HL]}A←A⊕MEM[HL]结果回到 A。累加器就是那个不变的左操作数和结果容器。十四、类比总结CPU 概念现实类比寄存器厨师操作台上的几个碗就在手边内存RAM冰箱东西多但要走过去拿数据总线厨房里的传菜通道地址总线门牌号系统告诉你去哪里拿东西三态缓冲器通道上的闸门同时只开一个程序计数器乐谱上的当前演奏位置标记累加器 A计算器的显示屏答案总出现在这里增量器专门负责翻页的人只做 1/-1指令锁存器便条纸把当前执行的指令字节写下来