組合電路和時(shí)序電路的講解

組合電路和時(shí)序電路是計(jì)算機(jī)原理的基礎(chǔ)課，組合電路描述的是單一的函數(shù)功能，函數(shù)輸出只與當(dāng)前的函數(shù)輸入相關(guān)；時(shí)序電路則引入了時(shí)間維度，時(shí)序電路在通電的情況下，能夠保持狀態(tài)，電路的輸出不僅與當(dāng)前的輸入有關(guān)，而且與前一時(shí)刻的電路狀態(tài)相關(guān)，如我們個(gè)人PC中的內(nèi)存和CPU中的寄存器，均為時(shí)序電路。

說(shuō)了這么多，我們學(xué)習(xí)的組合電路和時(shí)序電路在計(jì)算機(jī)中又是怎么一回事呢？為了便于理解，下面以一個(gè)大家都能接受的C語(yǔ)言程序開(kāi)始，從上層向下層開(kāi)始解釋。

void main（）{

int a ＝ 3， b ＝ 5;

int sum = a + b;

}

這個(gè)例子大家都能明白，main函數(shù)要做的事情就是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)的加法操作。這是我們?nèi)祟?lèi)的思維方式，但是計(jì)算機(jī)并不認(rèn)識(shí)，如何讓計(jì)算機(jī)理解呢？于是，我們需要將上面這個(gè)程序翻譯成機(jī)器能理解的模樣，這時(shí)候就需要借助編譯器（如常見(jiàn)的gcc、msc等）將上面的程序翻譯成MIPS指令（不同的CPU有不同的指令集，包括X86指令集、MIPS指令集、Sparc指令集等，我們?cè)谶@里用MIPS指令集，咱們的龍芯也是采用MIPS指令集），如下所示：

#下面的每條匯編代碼對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制

addi $t0， 0， 3 # a = 0+3， a保存在$t0寄存器中， 對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼為：0010 00** **** **** **** **** **** ****（這里的星號(hào)*表示二進(jìn)制，這里暫時(shí)不關(guān)心）

addi $t1， 0， 5 # b = 0+5， b保存在$t1寄存器中

addi $t2， $t1， $t0 # sum ＝ a ＋ b， sum保存在$t2寄存器中

到這里，大家一定還在疑惑，不是說(shuō)要翻譯成二進(jìn)制代碼嗎？怎么是MIPS匯編語(yǔ)言？對(duì)，就是匯編語(yǔ)言，這個(gè)匯編語(yǔ)言中的每一條指令就對(duì)應(yīng)一條二進(jìn)制代碼，匯編的方式更容易讓人理解。

現(xiàn)在我們得到了計(jì)算機(jī)可以理解的MIPS指令（可以想象成可執(zhí)行程序）了，接下來(lái)的問(wèn)題是如何執(zhí)行MIPS指令。

要執(zhí)行程序，首先必須將可執(zhí)行程序文件（從外設(shè)）加載到內(nèi)存。可執(zhí)行文件加載到內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)為每個(gè)可執(zhí)行程序在內(nèi)存中分配四個(gè)區(qū)：

1 代碼區(qū)。也就是前面的到的匯編代碼所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼

2 全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)。全局變量，靜態(tài)變量放在這個(gè)區(qū)

3 堆區(qū)。表示在程序執(zhí)行過(guò)程中，動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的空間在這個(gè)區(qū)，如C語(yǔ)言中的malloc， free操作均是針對(duì)此區(qū)中的對(duì)象執(zhí)行申請(qǐng)或釋放操作

4 棧區(qū)。函數(shù)運(yùn)行時(shí)，局部變量的保存區(qū)域。

我們重點(diǎn)關(guān)注代碼區(qū)和棧區(qū)，初始時(shí)，其分布如下圖所示：

代碼區(qū)-1.png

其中PC（Program Counter）是程序計(jì)數(shù)器（是CPU中的一個(gè)寄存器，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能），即用來(lái)指示下一個(gè)即將執(zhí)行的指令的地址，本例中，進(jìn)入main函數(shù)后，即將執(zhí)行的第一條指令是a = 3，其地址為：0X FF FF FF 00， 因此PC指向其對(duì)應(yīng)的匯編代碼的地址。

CPU根據(jù)PC的的值，從指定地址0X FF FF FF 00處獲取指令，然后解析指令，并執(zhí)行指令（即執(zhí)行a＝3）。

當(dāng)a = 0執(zhí)行完畢后，PC執(zhí)行操作：PC ＝ PC ＋ 4，PC指向0X FF FF FF 04，即b = 5的指令的地址。此時(shí)，棧區(qū)的狀態(tài)為：

棧區(qū)-1.png

接著，CPU根據(jù)PC的的值，從指定地址0X FF FF FF 04處獲取指令，然后解析指令，并執(zhí)行指令（即執(zhí)行b＝5）。當(dāng)b＝5執(zhí)行完畢后，PC執(zhí)行操作：PC ＝ PC ＋ 4，PC指向0X FF FF FF 08，即sum＝a＋b的指令的地址。此時(shí)，棧區(qū)的狀態(tài)為：

棧區(qū)-2.png

然后，CPU根據(jù)PC的的值，從指定地址0X FF FF FF 08處獲取指令，然后解析指令，并執(zhí)行指令（即執(zhí)行sum＝a＋b）。當(dāng)sum＝a＋b執(zhí)行完畢后，PC執(zhí)行操作：PC ＝ PC ＋ 4，PC指向0X FF FF FF 12（因?yàn)?，指令已?jīng)執(zhí)行完畢，這里應(yīng)該提示要從main函數(shù)返回）。此時(shí)，棧區(qū)的狀態(tài)為：

棧區(qū)-3.png

至此為止，main函數(shù)內(nèi)部的流程基本上陳述完了（關(guān)于函數(shù)間調(diào)用，相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算機(jī)組成中會(huì)詳細(xì)講解），但如何實(shí)現(xiàn)這些步驟呢，其中的關(guān)鍵問(wèn)題包括如下：

問(wèn)題：

1、知道內(nèi)存地址，如何定位到那個(gè)地址？？？答案：地址譯碼器

2、獲取到a＝3對(duì)應(yīng)的指令后，如何知道是做a=0+3的操作？？？答案：解析指令，指令譯碼器

3、PC寄存器如何保存值？如何做加4操作？答案：計(jì)數(shù)器（寄存器講解）