顶点小说网 > 重生学神有系统 > 第144章 时序逻辑电路和寄存器
    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……