本文為《BUT HOW DO IT KNOW – The Basic Principles of Computer for everyone 》筆記，文章絕大部分圖片來自于這本書，用visio重新繪制，并增加不同的顔色，更便于閱讀。

這一篇主要介紹CPU中Control Section的構建。我們先來回憶一下計算機的組成：

根據前面所述，計算機有兩大部分組成：CPU和RAM。CPU又包含Control section和ALU以及若幹個寄存器等。

上一篇文章說了，對于CPU來說，我們把具體幹活的部分稱之為ALU，把起調度功能的部分稱之為“Control section”，即控制單元。Control section調度過程又分為兩部分：指令解析和數據準備。

Control section的基本功能很明确，就是通過解析指令，獲得各個寄存器的“讀”和“寫”使能端，大概樣子如下圖所示：

左側為生成的“讀”使能信号；

右側為生成的“寫”使能信号；

“讀”使能對象為6個寄存器：RAM、ACC、R0、R1、R2、R3。

“寫”使能對象為8個寄存器，除RAM、ACC、R0、R1、R2、R3之外，還包括MAR、TMP。因為TMP隻有“寫”使能端，“讀”一直使能，而MAR則不要“讀”使能。

下面我們就以“加法”、“存入”以及“取指令”的過程來看一下這些使能信号是如何産生的。

前面我們介紹了stepper的實現方式，總共分成7步，其中step 7的作用是使stepper跳回至step 1，也就是說，我們能夠利用的是step 1到step 6。在每一步，都會産生clk e“讀”使能信号和clk s “寫”使能信号，其先後關系及持續時間為：

可見，“讀”信号先使能，爾後“寫”信号使能，爾後“讀”信号使能結束。這樣就能保證“寫”操作進行時所用的數據為當前step“讀”到的信号。

我們先來看一下step 4到step 6。實現邏輯如上圖所示，還記得我們前面說過的嗎？——左側為“讀”使能，右側為“寫”使能，我們整理一下上圖的邏輯，可以得到：

Step 4：寄存器R1中的數在“讀”使能時，傳輸到BUS，在“寫”使能時，寫入到TMP裡；

Step 5：寄存器R0中的數在“讀”使能時傳輸到BUS，ALU開始工作，此時TMP在上一步已經準備好，兩個輸入TMP和R0都就位，ALU計算兩者的和；在“寫”使能時，ALU計算的結果存儲到ACC，注意，此時不經過BUS。

Step 6：寄存器ACC中的數在“讀”使能時，傳輸到BUS，在“寫”使能時，寫入到R0裡；

總的效果就是：将R0中的數加上R1中的數，存儲到R0中。

前面将計算結果存儲到了寄存器R0中， R0是CPU内部寄存器，大多數時候我們想要存到RAM裡面，是否可實現呢？請看下圖：

在時鐘的作用下，數據流向為：

Step 4：寄存器R2中的數在“讀”使能時，傳輸到BUS，在“寫”使能時，寫入到MAR裡；

Step 5：寄存器R0中的數在“讀”使能時傳輸到BUS，在“寫”使能時，開始往RAM裡寫數據，數值為R0，此時RAM中地位MAR存的數據是R2。

總的效果就是：将R0中的數據存到RAM中，存儲地址是R2中存的數據。

前面我們說了兩個例子，分别是将寄存器中的數相加，以及将寄存器中的數存到RAM指定的地址中去。

這是兩種完全不同的操作，怎麼來區分呢？——在step 1到step 3中實現。為此，我們要再增加兩個寄存器：IAR和IR，分别存儲指令地址和指令内容。此時，計算機的繼續豐滿，如下所示：

其中IAR有“讀”和“寫”兩個使能端，也就是地址寄存器中内容可以有“讀”和“寫”兩個操作；IR隻有“寫”使能端，也就是指令寄存器隻能從總線拿數據。

接下來，我們就看一下取指令的過程是如何實現的，如下圖：

數據流向如下：

具體過程為：

Step 1：地址寄存器IAR在“讀”使能的時候，将數據傳輸到BUS，在“寫”使能的時候，存入MAR，即RAM中地址寄存器；Step 1還有一個動作，後面再說。

Step 2：RAM中地址為MAR的數據，在“讀”使能的時候，将數據傳輸到BUS，在“寫”使能的時候，存入指令寄存器IR；

Step 3：為了能讓程序自動執行，我們還需要更新IAR，一個最簡單的方式就是将IAR加1，這樣就對應RAM中IAR下一條指令。加法很容易實現，ALU中就有加法器，具體實現我們先不管，假設現在ALU的計算結果已經保存在ACC中，我們怎麼能讓程序自動運轉起來？——很簡單，寄存器ACC在“讀”使能的時候，将數據傳輸到BUS，在“寫”使能的時候，存入IAR，對應RAM中下一條指令；

怎麼實現ALU中IAR加1的功能呢？我們知道，ALU有兩個輸入，一個是TMP，一個來自總線BUS，BUS由于連接的東西很多，我們最好不要動他，剩下的就隻能在TMP上做做手腳。——解決方案就是在TMP和ALU中間增加一個模塊，這個模塊要實現的功能是要麼傳輸TMP裡面的數據，要麼傳輸1，具體實現方式如下：

不難分析，這個電路的實現的功能很簡單，如下：

那IAR加1的這個動作在哪一步實現呢？——step 1。我們知道在step 1的時候，IAR已經在BUS中，這時候我們bus 1=1，我們再将ACC使能，這樣IAR 1就存入到了ACC中。

對于一個8位CPU來說，指令可以分為兩大類，一類為ALU相關指令，主要包括需要ALU參與完成的相關指令，比如加法、移位、比較等；另一類是非ALU相關指令，比如加載數據，存儲數據，跳轉等。

無論哪種指令，都可以分為前4位和後4位，前四位和動作有關，後四位和數據有關。

我們先說ALU相關指令，其基本定義如下：

最高位為1表示該條指令為ALU指令，接下來三位為操作碼，表示ALU要幹的具體工作；後四位的前兩位和後兩位表示ALU運算所需要的數據所在寄存器的編碼，具體定義如上圖所示。

比如，有一條ALU（1）指令執行加法（000）運算，被加的内容是Resister 2（10）裡的數據與Resister 3（11）的數據，結果存放在Resister 3（11）裡面，那麼它對應的指令就是：

如果把這條指令（1000 1011）存入RAM中，地址為10，那麼當IAR設為10時，開啟計算機，它就會從IAR為10的RAM中讀取該條指令，通過總線傳輸至IR，然後在Control Section的控制下，去計算R2和R3之和。

如果ALU指令是單輸入指令，比如SHL，SHR或者NOT，數據内容将來自Reg A，經過ALU運算，結果會被存在Reg B中。可以選在從一個寄存器取數，結果存到另外一個寄存器，比如R1→R3；可以選在從一個寄存器取數，結果存到同一個寄存器，比如R2→R2。

如果ALU指令是雙輸入指令，Reg A和Reg B将會被送到ALU，運算結果送到Reg B，Reg A和Reg B可以是同一個寄存器。

通過以上分析我們知道，ALU面對的是兩個輸入：Reg A和Reg B。Reg A和Reg B的邏輯相對是比較明确的，那就是Reg A (ALU) Reg B→Reg B，Reg A和Reg B進過ALU運算，結果存在Reg B裡面，具體實現方式如下：

數據流總結如下：

Step 4：“讀”和“寫”使能端有兩個條件：指令寄存器IR最高位為1，Stepper 4的clk信号為高；通過控制“讀”“寫”兩個信号，實現Reg B的内容加載到TMP裡面；

Step 5：“讀”和“寫”使能端有兩個條件：指令寄存器IR最高位為1，Stepper 5的clk信号為高，實現Reg B的内容加上TMP裡面存的Reg A，結果傳輸至Reg B；Stepper 5的clk信号還作為ALU操作碼産生信号的控制，也就是說，隻有在step 5才産生非000的ALU操作碼。

Step 6：隻要不是比較運算（操作碼111），都要将ACC的計算計算結果存儲至Reg B。

可見，對于ALU指令操作，就是Reg A和Reg B兩個寄存器的數據運算和存儲。但是呢，我們手上有4個寄存器：R0、R1、R2、R3，每一個Reg A或Reg B可以是R0、R1、R2、R3中的任意一個，因此，我們需要對R0、R1、R2、R3編碼，這樣，就可以實現對任何一個寄存器的操作，如下圖所示：

這樣就可以通過指令後四位的寄存器編碼，實現對寄存器裡面數據的操作。

助記符如下：

前面說了，當指令的第一位為1時，是ALU相關指令。接下來我們就看看當第一位不為1時的指令情況，見下圖：

最高位0表示非ALU指令，接下來三位為000表示加載數據，001表示存儲數據。指令後四位和ALU指令一緻，表示寄存器的編碼。實現邏輯為：

當前四位為0000時：

Step 4：Reg A的數據存儲到RAM中（地址為MAR）；

Step 5： RAM中地址為MAR的數據存儲到Reg A；

當前四位為0001時：

Step 4：Reg A的數據存儲到MAR；

Step 5： Reg B中的數據存儲到RAM中（地址為MAR）；

助記符如下：

當指令前四位為0010時，代表的是數據指令。與之前不同的是，這個指令有2個字節，後面緊跟的字節為要寫入寄存器的數據，如下圖所示：

實現方式為：

Step 4：讀取IAR中的數據，存儲到MAR中；bus 1使能，将IAR 1的結果存到ACC中；

Step 5：讀取RAM中的數據（地址為IAR），存儲到Reg B中；

Step 6：讀取ACC中的數據（此時為IAR 1），更新到IAR中；

注意：由于IAR在step 1的時候已經 1了，在step 4又 1，因此，下一條指令将跳過僅鄰的後一條指令（為需要載入的數據），從而實現将後一條緊鄰的輸入讀入的功能。

助記符如下：

當指令前四位為0011時，代表的是跳轉指令，如下圖所示：

實現方式為：

Step 4：Reg B中的數據存儲到IAR中，意味着下一次的指令将從IAR（目前為Reg B寄存器中存儲的數據），從而實現跳轉功能。

助記符如下：

當指令前四位為0100時，代表的是跳轉到指令，注意，這也是一條2字節指令，緊鄰的後1字節代表要跳轉到的地址，如下圖所示：

實現方式為：

Step 4：将IAR中的數據存儲到MAR；

Step 5：将RAM中地址為IAR的數據存儲到IAR；

也就是IAR中的内容變成了RAM[IAR 1]，實現到“跳轉到”功能。

助記符如下：

當然還可以實現更複雜的跳轉指令，比如說有條件跳轉，如下圖所示：

前面我們說了，ALU計算會輸出四個标志位，分别為：carry out、a larger、equal和zero。如下圖所示：

我們可以把這四個标志位作為判斷條件，實現有條件跳轉，實現方式如下：

Step 4：IAR傳輸至MAR，IAR 1傳輸至ACC；

Step 5：ACC傳輸至IAR；

Step 6：若carry out、a larger、equal或zero其中之一為真，則RAM [IAR] 傳輸至IAR。

也就是說，新的IAR有兩種情況，正常情況下，程序将順序執行（跳過緊鄰的“地址”字節）；當carry out、a larger、equal或zero之一為真時，程序跳轉到緊鄰字節所存儲的地址。

助記符如下：

如果我們把指令某個位置1，這樣就可以進行組合标志條件跳轉，因為我們有4個标志位，共計有16種組合，當然，4個标志位都off時，就不需要跳轉，所以我們隻對剩下的15個标志位組合感興趣，其機器語言如下：

兩個标志位組合：

三個或四個标志位組合：

當我們去做加法或者移位運算時，可能會用到carry進位标志位，比如在有條件跳轉時，就會用到這個标志位。

Carry标志位還會作為加法和移位運算的輸入，這就帶來一個問題：Carry标志位是存在寄存器裡面的，會一直保存之前的記錄，當我們的運算不需要這個進位的時候，也會被ALU使用，這就可能會出現2 2=5的情況。

有很多種方式可以處理這個問題，現在我們采用一種比較簡單的方式來清除标志位，如下圖所示：

看着很簡潔，但是還是很有技巧的。首先，并沒有使能任何寄存器往BUS寫數據，這樣ALU的輸入A就是0000 0000。在Step 4的時候，使能Bus 1，所以此時ALU的輸入B為0000 0001。這是并沒有任何操作碼發送至ALU，因為默認的是ADD操作，這時ALU就會執行0000 0000 0000 0001=0000 0001，此時還可能有進位carry in，所以總的結果可能是0000 0001，也可能是0000 0010，但是肯定不會産生進位carry out。注意此時carry 标志位為off；結果不是零，所以zero标志位也為off；B比A大，所以“‘A larger”和“equal”也為off。也就是說，所有标志位都清零了。

助記符如下：

當然，我們還需要相關的指令實現CPU和RAM與外部的數據交換，如下圖所示：

I/O總線包括數據總線和一些關鍵的内部信号，包括輸入/輸出标志位、數據/地址标志位、“讀”使能标志位、“寫”使能标志位，具體如下：

其指令格式如下，前四位為0111就表示該指令為I/O指令。後四位第一位表示是輸入/輸出标志，第二位表示數據/地址标志位，最後兩位表示地址/數據的内容（存在Reg B中）。

具體實現方式如下：

Step 4：input/output标志位為1，指令前4位為0111時，Reg B寄存器“讀”使能，Reg B寄存器内容傳輸至BUS；I/O clk s标志位為on；

Step 5：input/output标志位為0，指令前4位為0111時，Reg B寄存器“寫”使能，BUS數據傳輸至Reg B寄存器；I/O clk e标志位為on；

助記符如下：

把前面所有介紹的指令用或門全部封裝在一起，就可以得到CPU的Control Section了。其實現的功能為：

具體實現方式如下：

把前面所列的所有ALU指令封裝在一起，可以得到ALU相關指令的Control Section部分如下：

繼續把所有非ALU指令封裝在一起，如下：

把所有指令封裝在一起，如下圖所示：

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