第144章 时序逻辑电路和寄存器
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小服务员给弄来的这套渔具相当有档次。
用具一应俱全：钓竿、水兜、鱼篓、小笊篱、鱼饵……
居然还有个小折叠凳。
江寒谢过小服务员，拿着这些东西，来到中央鱼塘处。
在岸边选了个没人的地方，架好鱼竿，就开始闭目养神。
当然，其实是进入了虚拟空间。
闲着也是闲着，不如做点事情。
上次做的算数逻辑单元，还有几个地方，必须完善一下。
比如，其中的加法器部分，当时并没有考虑执行效率的问题。
当进位从低位向高位，逐一传递时，可能会产生很高的延迟。
江寒通过看书，找到了一种解决方案。
这种被称为“进位预测”的技术，通过特殊设计的逻辑电路，能有效地缓解进位延迟问题。
江寒按照资料中的讲解，将原本的ALU改造了一下。
测试后，效果还算令人满意。
附带一提，这个ALU并没有实现乘除法和浮点运算。
并不是不需要，而是如果一切都用硬件来实现，电路会过于复杂。
ALU是和操作系统搭配工作的，一个计算机系统能做多少事情，由二者共同决定。
在设计ALU时，硬件上需要实现多少种功能和操作指令，本质上是个性价比问题。
如果为了性能，应该尽可能用硬件来实现所有的算数运算和逻辑运算。
但这样做，成本太高昂了。
江寒权衡再三后，决定现阶段只实现基本的算数和逻辑，剩下的部分交给操作系统，用软件的方式解决。
接下来，江寒打算实现一个存储系统。
计算机不仅要能做计算，还应该能根据需要，存储、读取数据。
计算机中的数据，都是以二进制来存储的。
其中比较特别的，是机器指令代码。
其实，在冯诺依曼体系中，指令也被看做一种数据，特殊的、可执行的数据。
这也就是存储程序的概念……
计算机中的存储单元，无论是寄存器，还是内部存储器，通常都是由时序电路组成的。
时序电路的实现，其实并不算特别复杂，本质上就是个周期性电信号的处理。
但如果考虑到同步、时钟、反馈等一系列问题，就稍微有点麻烦了。
江寒照旧将大任务分解成小模快，，然后从最基本的地方入手。
首先，要实现一个“触发器”。
如果说ALU的基本部件是“与非门”，那么时序单元的基本部件，就是“触发器”。
工程实践中，“触发器”有多种设计方案。
江寒选用的，是最常用的，也是比较简单的“D触发器”，简称DFF。
此类“触发器”通常包括4个“与非门”，并提供1个输入管脚，一个输出管脚，通过“反馈回路”来连接基本的逻辑门。
大多数计算机系统里，都是采用振荡器来实现时钟信号。
用连续的交变信号序列，来表示时间流逝。
所谓交变，就是电信号从高到低，在从低到高，反复循环。
用数字来表示，就是0-1-0-1-0-1……
每两个波峰之间的间隔，称之为1个“时钟周期”。
现代个人电子计算机的时钟频率，通常高达每秒钟几十、几百甚至几千兆赫！
计算机系统通过时序信号，来整体协调各个部件的运行。
“触发器”根据主时钟信号的连续交变，将前一个时钟周期的输入，当做当前时钟周期的输出。
这个过程可以用out=in来描述。
江寒用4个与非门打造出D触发器后，又在其基础上实现了“二进制存储单元”。
这是只能存取、记忆1个二进制位的小装置。
包括一个输入、一个输出，和一个负责写操作的load接口。
别看它小，可是构成寄存器和内存阵列的基本结构。
根据out=in的设计需求，D触发器的输出必须反馈到输入。
但简单的将输出信号传送给输入端，肯定是行不通的。
必须通过合理的设计，才能让其正确工作。
比如加装一个“多路转换器”，用它的“选择位”作为寄存器的“加载位”……
D触发器的设计，保证了输出变化仅发生在两个时钟周期之间的切换点上，而不会发生在时钟周期内部。
这样，即使时序逻辑电路在时钟周期内出现不稳定，也不会影响输出的准确性。
只需要保证在下一个时钟周期开始时，输出准确无误的数值就可以了。
这种“离散化”的特性，对于保证计算机系统的同步协调十分重要。
比如，要让ALU计算两个数A与B的和。
假设A所在的RAM寄存器，距离ALU很近，而B所在的RAM寄存器，距离ALU较远。
由于物理条件的限制，比如电阻、干扰、信号噪声或者其他随机因素，A、B信号也许无法同步到达ALU。
为了不让运算结果出错，就要保证：在一个时钟周期内，ALU输出的结果，能到达最远的RAM寄存器。
这样才能将互相独立的一系列硬件，同步成一个协调、统一的整体系统。
江寒耗费了一点脑细胞后，终于将“二进制单元”搞定。
接下来，就可以大展拳脚了。
只要做出一个二进制单元，就能很容易地做出n位寄存器。
只要将n个一模一样的二进制单元，有机地组织在一起，就能构建出n个“比特门”。
然后将此寄存器的load信号，赋予每个“比特门”，就可以批量存取数据了。
通常用8个“比特门”，来实现一个字节的数据存取。
若干个字节组织在一起，又可以构成任意位宽的寄存器。
比如江寒打算实现的，就是一个由4个字节组成的32位寄存器。
每个寄存器存储的位宽，也叫“字长”，若干个寄存器组织在一起，就形成了“寄存器组”。
江寒设计的寄存器组，由8个32位寄存器组成。
接下来，是“存储块”，也就是俗称内存的RAM。
这种内存在设计上，要求不管存储单元的物理位置在哪里，ALU都能花费基本相同的时间，直接访问。
设计的时候，先给RAM的每个记忆单元，分配一个地址，然后构建一个由N个寄存器组成的阵列。
再构建一个逻辑门，使其通过地址访问到对应的记忆单元……
典型的RAM接受三种输入值：数据、地址和加载位。
RAM设计起来不容易，但实现起来意外的简单。
江寒先做出了一个字节的RAM，然后将其与空白图纸一起卖掉。
得到图纸后，就利用自动搭建功能，批量生产出大量“字节存储单元”。
接下来，就可以组装出任意规模的存储阵列了。
江寒组装了一个8个字节的存储阵列，称之为RAM8，然后将其再次转换成图纸。
接下来，制作8组RAM8阵列，设计配套的电路，将其组合在一起，就成了RAM64。
重复上述过程，就打造出了RAM512、RAM4K、RAM16K、RAM64K……
“我去，这么贵？”
前面还好，从4kb内存开始，自动构建功能的附加收费，就超过了元件本身的价格了。
但为了节省时间，消灭错误率，还是得使用这个自动构建功能。
浪费点积分也是值得的。
反正积分来的容易，万一不够了，再多做几台无线电发射器也就是了……
用具一应俱全：钓竿、水兜、鱼篓、小笊篱、鱼饵……
居然还有个小折叠凳。
江寒谢过小服务员，拿着这些东西，来到中央鱼塘处。
在岸边选了个没人的地方，架好鱼竿，就开始闭目养神。
当然，其实是进入了虚拟空间。
闲着也是闲着，不如做点事情。
上次做的算数逻辑单元，还有几个地方，必须完善一下。
比如，其中的加法器部分，当时并没有考虑执行效率的问题。
当进位从低位向高位，逐一传递时，可能会产生很高的延迟。
江寒通过看书，找到了一种解决方案。
这种被称为“进位预测”的技术，通过特殊设计的逻辑电路，能有效地缓解进位延迟问题。
江寒按照资料中的讲解，将原本的ALU改造了一下。
测试后，效果还算令人满意。
附带一提，这个ALU并没有实现乘除法和浮点运算。
并不是不需要，而是如果一切都用硬件来实现，电路会过于复杂。
ALU是和操作系统搭配工作的，一个计算机系统能做多少事情，由二者共同决定。
在设计ALU时，硬件上需要实现多少种功能和操作指令，本质上是个性价比问题。
如果为了性能，应该尽可能用硬件来实现所有的算数运算和逻辑运算。
但这样做，成本太高昂了。
江寒权衡再三后，决定现阶段只实现基本的算数和逻辑，剩下的部分交给操作系统，用软件的方式解决。
接下来，江寒打算实现一个存储系统。
计算机不仅要能做计算，还应该能根据需要，存储、读取数据。
计算机中的数据，都是以二进制来存储的。
其中比较特别的，是机器指令代码。
其实，在冯诺依曼体系中，指令也被看做一种数据，特殊的、可执行的数据。
这也就是存储程序的概念……
计算机中的存储单元，无论是寄存器，还是内部存储器，通常都是由时序电路组成的。
时序电路的实现，其实并不算特别复杂，本质上就是个周期性电信号的处理。
但如果考虑到同步、时钟、反馈等一系列问题，就稍微有点麻烦了。
江寒照旧将大任务分解成小模快，，然后从最基本的地方入手。
首先，要实现一个“触发器”。
如果说ALU的基本部件是“与非门”，那么时序单元的基本部件，就是“触发器”。
工程实践中，“触发器”有多种设计方案。
江寒选用的，是最常用的，也是比较简单的“D触发器”，简称DFF。
此类“触发器”通常包括4个“与非门”，并提供1个输入管脚，一个输出管脚，通过“反馈回路”来连接基本的逻辑门。
大多数计算机系统里，都是采用振荡器来实现时钟信号。
用连续的交变信号序列，来表示时间流逝。
所谓交变，就是电信号从高到低，在从低到高，反复循环。
用数字来表示，就是0-1-0-1-0-1……
每两个波峰之间的间隔，称之为1个“时钟周期”。
现代个人电子计算机的时钟频率，通常高达每秒钟几十、几百甚至几千兆赫！
计算机系统通过时序信号，来整体协调各个部件的运行。
“触发器”根据主时钟信号的连续交变，将前一个时钟周期的输入，当做当前时钟周期的输出。
这个过程可以用out=in来描述。
江寒用4个与非门打造出D触发器后，又在其基础上实现了“二进制存储单元”。
这是只能存取、记忆1个二进制位的小装置。
包括一个输入、一个输出，和一个负责写操作的load接口。
别看它小，可是构成寄存器和内存阵列的基本结构。
根据out=in的设计需求，D触发器的输出必须反馈到输入。
但简单的将输出信号传送给输入端，肯定是行不通的。
必须通过合理的设计，才能让其正确工作。
比如加装一个“多路转换器”，用它的“选择位”作为寄存器的“加载位”……
D触发器的设计，保证了输出变化仅发生在两个时钟周期之间的切换点上，而不会发生在时钟周期内部。
这样，即使时序逻辑电路在时钟周期内出现不稳定，也不会影响输出的准确性。
只需要保证在下一个时钟周期开始时，输出准确无误的数值就可以了。
这种“离散化”的特性，对于保证计算机系统的同步协调十分重要。
比如，要让ALU计算两个数A与B的和。
假设A所在的RAM寄存器，距离ALU很近，而B所在的RAM寄存器，距离ALU较远。
由于物理条件的限制，比如电阻、干扰、信号噪声或者其他随机因素，A、B信号也许无法同步到达ALU。
为了不让运算结果出错，就要保证：在一个时钟周期内，ALU输出的结果，能到达最远的RAM寄存器。
这样才能将互相独立的一系列硬件，同步成一个协调、统一的整体系统。
江寒耗费了一点脑细胞后，终于将“二进制单元”搞定。
接下来，就可以大展拳脚了。
只要做出一个二进制单元，就能很容易地做出n位寄存器。
只要将n个一模一样的二进制单元，有机地组织在一起，就能构建出n个“比特门”。
然后将此寄存器的load信号，赋予每个“比特门”，就可以批量存取数据了。
通常用8个“比特门”，来实现一个字节的数据存取。
若干个字节组织在一起，又可以构成任意位宽的寄存器。
比如江寒打算实现的，就是一个由4个字节组成的32位寄存器。
每个寄存器存储的位宽，也叫“字长”，若干个寄存器组织在一起，就形成了“寄存器组”。
江寒设计的寄存器组，由8个32位寄存器组成。
接下来，是“存储块”，也就是俗称内存的RAM。
这种内存在设计上，要求不管存储单元的物理位置在哪里，ALU都能花费基本相同的时间，直接访问。
设计的时候，先给RAM的每个记忆单元，分配一个地址，然后构建一个由N个寄存器组成的阵列。
再构建一个逻辑门，使其通过地址访问到对应的记忆单元……
典型的RAM接受三种输入值：数据、地址和加载位。
RAM设计起来不容易，但实现起来意外的简单。
江寒先做出了一个字节的RAM，然后将其与空白图纸一起卖掉。
得到图纸后，就利用自动搭建功能，批量生产出大量“字节存储单元”。
接下来，就可以组装出任意规模的存储阵列了。
江寒组装了一个8个字节的存储阵列，称之为RAM8，然后将其再次转换成图纸。
接下来，制作8组RAM8阵列，设计配套的电路，将其组合在一起，就成了RAM64。
重复上述过程，就打造出了RAM512、RAM4K、RAM16K、RAM64K……
“我去，这么贵？”
前面还好，从4kb内存开始，自动构建功能的附加收费，就超过了元件本身的价格了。
但为了节省时间，消灭错误率，还是得使用这个自动构建功能。
浪费点积分也是值得的。
反正积分来的容易，万一不够了，再多做几台无线电发射器也就是了……
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