引言

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　　這個(gè)系列已經(jīng)很久沒更新了，記得上一篇博文已經(jīng)是三月份了，實(shí)在是抱歉。最近業(yè)余時(shí)間沒有以前充裕了，因此更新一篇博文已經(jīng)變成了一種奢侈。記得以前剛開始寫的時(shí)候，最多的時(shí)候LZ一天寫過3篇博文，現(xiàn)在想想，往事如夢(mèng)。

　　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件以及HCL語言的內(nèi)容。

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從疑問開始

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　　首先，在介紹本文的內(nèi)容之前，我們先來思考一個(gè)看似簡(jiǎn)單，卻實(shí)際比較“高深”的問題。眾所周知，計(jì)算機(jī)歸根結(jié)底是在和0、1打交道，那么到底0和1是如何被計(jì)算機(jī)記住的呢？

　　怎么樣，這個(gè)問題是不是有點(diǎn)像數(shù)學(xué)界的1+1為什么等于2？是否瞬間感覺自己很高大上？

　　請(qǐng)穩(wěn)住，其實(shí)這個(gè)問題的答案比1+1=2要簡(jiǎn)單多了。答案就是計(jì)算機(jī)通過電壓來記錄0和1。在學(xué)習(xí)物理的時(shí)候大家肯定都聽說過電壓這個(gè)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。計(jì)算機(jī)當(dāng)中使用1V來代表1，使用0V代表0。

　　解答了這個(gè)問題，接下來我們就可以繼續(xù)我們的設(shè)計(jì)之路了。

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設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

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　　要談設(shè)計(jì)，就要知道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。剛才其實(shí)我們了解了最基本的基礎(chǔ)，就是0和1如何表示，不過這只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(gè)物體一樣，首先是點(diǎn)，然后才能點(diǎn)動(dòng)成線，進(jìn)而線動(dòng)成面，最終面動(dòng)成體。

　　剛才的0和1只不過是點(diǎn)而已，接下來，我們要用點(diǎn)變換成線。這個(gè)東西就叫做邏輯門。

　　邏輯門是數(shù)字電路的基本計(jì)算元素，也可以看做是物理結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)的映射，它們實(shí)際上是由晶體管組成的。邏輯門接受信號(hào)的輸入，并根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生一定的輸出，而輸出則是輸入的布爾函數(shù)，也就是說，輸出只能是0或者1。下圖是and門（‘與’門）、or門（‘或’門）和not門（‘非’門）的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)，你可以看做它們代表了一組線路的組成方式。

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　　and：? ? ? ? ? ? ? ?or：? ? ? ? ? ? ? ? not：

　　

　　可以看出，and和or都是2個(gè)輸入，而not為1個(gè)輸入。前面我們提到了HCL硬件設(shè)計(jì)語言，上面的三個(gè)圖分別用HCL表示則是，a&&b、a||b以及!a。

　　舉個(gè)例子，比如對(duì)于and門來說，它接受2個(gè)輸入，如果2個(gè)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(chǔ)之上的。

　　

高級(jí)設(shè)計(jì)

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　　現(xiàn)在我們已經(jīng)掌握了基礎(chǔ)，那么在基礎(chǔ)之上，我們就可以玩點(diǎn)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(jì)算0&&1為0。那如果我們希望計(jì)算更加復(fù)雜的表達(dá)式該如何做呢，比如10001&&11111=？（注意，這里是位‘與’運(yùn)算，而不是邏輯運(yùn)算）。

　　答案就是組合電路。道理很簡(jiǎn)單，一個(gè)邏輯門可以計(jì)算1位，如果我們弄來32個(gè)邏輯門，不就可以計(jì)算32位了嗎？那么像上面那個(gè)10001&&11111的運(yùn)算，我們就可以采取5個(gè)邏輯門去計(jì)算。當(dāng)然，實(shí)際上并不是這樣的，這個(gè)后續(xù)我們會(huì)更加詳細(xì)的介紹。

　　不過電路往往是復(fù)雜的，不能隨便亂接，否則電死了誰負(fù)責(zé)？因此組合的電路需要遵循以下兩個(gè)原則。

　　1、兩個(gè)邏輯門的輸出不能連接到一起，否則它們可能會(huì)使線上的信號(hào)矛盾，因此可能會(huì)得到一個(gè)不合法的電壓或故障。比如1個(gè)0V和1個(gè)1V接到一起，會(huì)不會(huì)出來個(gè)0.5V，又或者類似于正負(fù)極相接，直接短路了呢。

　　2、組合的電路必須是無環(huán)的。也就是說輸出不能再當(dāng)做輸入，否則會(huì)使這個(gè)函數(shù)產(chǎn)生歧義。這個(gè)道理很簡(jiǎn)單，比如數(shù)學(xué)上來說，如果c=a+b。我們這里可以把c看做輸出，a和b看做輸入。如果a又等于c了，那么是不是b就等于0了呢？當(dāng)然不是，因?yàn)閍此時(shí)其實(shí)是a+b，第二輪的c又會(huì)等于a+2b，同理，第三輪的c又會(huì)等于a+3b。那么到底c=a+b還是c=a+2b還是c=a+3b？（這里有點(diǎn)繞，請(qǐng)各位猿友仔細(xì)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(gè)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(gè)表達(dá)式就是編程語言當(dāng)中的a == b。

　　接下來這個(gè)圖是另外一個(gè)書中的例子，它被翻譯為多路復(fù)用器。其實(shí)之所以叫這個(gè)，就是因?yàn)槠渲械目刂莆籹是可以復(fù)用的。如下圖。

　　在這個(gè)例子當(dāng)中還不是特別明顯，但是之后有更明顯的例子說明“復(fù)用”的含義。以上這個(gè)電路如果用HCL表達(dá)，則是(a && s) || (b && !s)。這個(gè)電路的含義是如果s為1，則結(jié)果為a，否則結(jié)果為b。

　　在書中對(duì)HCL表達(dá)式與C語言的表達(dá)式做了區(qū)分，有以下三點(diǎn)。

　　1、邏輯門是持續(xù)輸出的，但C語言表達(dá)式是執(zhí)行到的時(shí)候才會(huì)求值。這個(gè)區(qū)別可以把邏輯門當(dāng)成一個(gè)電路來看，電路是不能斷電的，電流會(huì)一直存在。

　　2、C語言中輸入可以是任意整數(shù)，而HCL只能是1和0。這點(diǎn)比較好理解。

　　3、對(duì)于a && b這個(gè)符號(hào)來說，C語言中的規(guī)定是如果前者為假，則后者不會(huì)再計(jì)算。而HCL當(dāng)中沒有這種說法。

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按位計(jì)算

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　　以上所提到的，哪怕是高級(jí)設(shè)計(jì)，也依然是針對(duì)1位進(jìn)行操作的。那么如何才能真正操作多個(gè)位呢，比如平時(shí)常用的32位或者64位。

　　道理很簡(jiǎn)單，就是多個(gè)1位操作一起進(jìn)行，例如下面這個(gè)圖。

　　這個(gè)圖當(dāng)中每個(gè)位相等的判斷都是上面所提到的兩個(gè)not門，兩個(gè)and門和一個(gè)or門組成的組合電路。它們并列的一起進(jìn)行，最終再通過一個(gè)and門，就完成了判斷兩個(gè)32位的數(shù)字是否相等的操作。也就是表達(dá)式A == B，值得注意的是，這里的A和B都是32位的。

　　還有一種類似于C語言中switch語句的表達(dá)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，這里的A和B都是32位的。那么使用電路如何表達(dá)呢？其實(shí)就是上次的復(fù)用電路的32位版本。如下圖。

　　可以看到，s的not值是被復(fù)用的，否則的話，這里需要32個(gè)not門。值得一提的是，HCL中條件選擇表達(dá)式中的條件是不需要互斥的，只是按照優(yōu)先順序依次選取，這與C語言中的switch是不同的。

　　最后一種HCL表達(dá)式，是集合的形式。它表示需要拿一個(gè)輸入信號(hào)與某些值做匹配。比如下圖當(dāng)中的S1和S0。

　　其中如果S1為code == 2 || code == 3，S0為code == 1 || code == 0。那么HCL可以用另外一種方式表達(dá)，即code in {2,3}和code in {1,0}。可以看出，HCL表達(dá)式其實(shí)就是一種硬件表述方式。

　　

存儲(chǔ)器和時(shí)鐘

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　　上面我們介紹的都是組合電路，它們的作用是根據(jù)輸入來產(chǎn)生一個(gè)值。但是剛才也說過，組合電路是一直持續(xù)輸出的，因此它無法保持一個(gè)狀態(tài)不變。但我們的計(jì)算機(jī)是需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，因此就需要能保存狀態(tài)的存儲(chǔ)設(shè)備。存儲(chǔ)設(shè)備則是由一個(gè)時(shí)鐘控制，時(shí)鐘就像一個(gè)開關(guān)一樣，它控制著存儲(chǔ)設(shè)備什么時(shí)候更新設(shè)備里的值。

　　常用的存儲(chǔ)設(shè)備一般有兩種。

　　1、時(shí)鐘寄存器：存儲(chǔ)單個(gè)位或者單個(gè)字。時(shí)鐘信號(hào)來控制寄存器是否要加載輸入的值。

　　2、隨即訪問存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)多個(gè)字。用地址來選擇該讀、寫哪個(gè)字。

　　時(shí)鐘寄存器的典型應(yīng)用是PC、條件碼寄存器以及程序狀態(tài)。它們都有明確的輸入，這意味著它們的值其實(shí)是某幾個(gè)值的一個(gè)函數(shù)，比如條件碼寄存器的輸入主要就是邏輯計(jì)算單元的值，因此條件碼寄存器的值就可以看做是邏輯計(jì)算單元的函數(shù)。

　　時(shí)鐘寄存器一般是根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)來更新狀態(tài)的，而時(shí)鐘信號(hào)就像一個(gè)表一樣，比如每到12點(diǎn)，寄存器的值就更新一下。就像下面的圖示一樣，當(dāng)時(shí)鐘變化時(shí)，值就會(huì)變化為y。

　　隨即訪問存儲(chǔ)器最典型的例子就是我們的寄存器文件（也就是8個(gè)程序寄存器）和隨即訪問存儲(chǔ)器（也就是我們常說的內(nèi)存）。它們沒有明確的輸入值，因此不存在函數(shù)關(guān)系。不論是寄存器文件還是隨即訪問存儲(chǔ)器，都有讀和寫兩種操作，而對(duì)于時(shí)鐘寄存器來說，是無所謂讀和寫的，因?yàn)樗粫?huì)根據(jù)輸入的變化改變輸出的值，是可以直接連接到電路上去的。

　　寄存器文件一般有兩個(gè)讀端口和一個(gè)寫端口。每個(gè)端口都附帶一個(gè)地址來標(biāo)識(shí)操作的是哪個(gè)寄存器，而對(duì)于寫端口，還有一個(gè)輸入數(shù)據(jù)，對(duì)于讀端口，則還有一個(gè)輸出數(shù)據(jù)。具體的圖示如下。

　　可以看到在寄存器文件的寫端口處，有一個(gè)時(shí)鐘（clock）控制著寫的操作。當(dāng)時(shí)鐘變化時(shí)，輸入數(shù)據(jù)的值將會(huì)更新到對(duì)應(yīng)的寄存器當(dāng)中。而對(duì)于讀數(shù)據(jù)，則類似于組合電路，根據(jù)輸入的地址值（src），寄存器文件會(huì)輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　對(duì)于隨即訪問存儲(chǔ)器來說，與寄存器文件非常相似。不同的是，隨即訪問存儲(chǔ)器只有一個(gè)地址輸入，而不是三個(gè)，只有一個(gè)數(shù)據(jù)輸出而不是兩個(gè)。具體的圖示如下。

　　當(dāng)?shù)刂?#xff08;address）輸入，并且輸入數(shù)據(jù)（data in）輸入時(shí)，如果寫（write）輸入為1并且時(shí)鐘（clock）變化時(shí)，存儲(chǔ)器中地址為輸入地址值的值將會(huì)變化，值就是輸入數(shù)據(jù)（data in）的值。同樣的，如果地址（address）輸入，并且寫（write）輸入為0，則輸出數(shù)據(jù)（data out）會(huì)輸出地址為輸入地址值的值。這里還有一點(diǎn)特殊的是，當(dāng)讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，如果地址超出了范圍，error信號(hào)將會(huì)輸出為1。回憶一下剛才的HCL語言，error其實(shí)就可以看做是一個(gè)組合電路的輸出，等于(address in > max address ) || (address in < 0)，即當(dāng)輸入的地址值不在合法范圍內(nèi)時(shí)，它的輸出為1。

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小結(jié)

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　　回憶一下本章的內(nèi)容，其實(shí)就是結(jié)合HCL語言在講硬件的組成。而這些硬件，就是Y86處理器需要使用的。比如組合電路，存儲(chǔ)器。到本章最后的時(shí)候，已經(jīng)非常接近我們的編程領(lǐng)域了，可以看到有寄存器和內(nèi)存的出現(xiàn)。但要注意的是，這里的寄存器文件并不等于寄存器，隨即訪問存儲(chǔ)器也不等于內(nèi)存，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(gè)順序?qū)崿F(xiàn)的Y86處理器，這是一個(gè)非常低級(jí)但卻最基礎(chǔ)的處理器。如果你慢慢的進(jìn)入了這個(gè)世界，你會(huì)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(shí)候，最大的感受就是，每一章剛開始讀的時(shí)候都非常枯燥無味，但每當(dāng)讀了幾節(jié)以后，就有種豁然開朗的感覺，這種感覺相信你一定也非常喜歡。

　　最后LZ再說明一下，本系列博文都是LZ在自己理解的基礎(chǔ)上寫的，因此盡管核心內(nèi)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(xí)慣的話，不妨去看看原著，或許會(huì)有不一樣的收獲。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入理解计算机系统（4.2）---硬件的魅力的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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