3.2 CPU的自动化

CPU的自动化

改造1-使用2进制导线
改造2
根据整体流程开始改造
指令分析
指令MOV_A的开关2进制表格
手动时钟gif
自动时钟gif

根据之前的CPU内部结构改造,制造一个cpu控制单元

改造一

之前的CPU全由手动开关自己控制,极度繁琐,而开关能跟二进制一一对应, 开:1, 关:0
图1是之前的, 图2是改造后的,图3是改造后的近景图
把之前 WE,OE开关全部替换成能用二进制控制的导线
近景图可以看到改造后的WE,OE使用的导线都被编号了
例如: PC的WE:1号,OE:0号, 指令寄存器的WE:2号,OE:3号
与左边的二进制开关编号一一对应
这样,假设 PC给内存地址寄存器传值的话,也就是开启PC的OE,开启内存地址寄存器的WE,只需要在二进制开关上的第9位,和第0位置1即可
效果图4: 模拟PC给内存地址寄存器传值

图1 之前的

在这里插入图片描述

图2 改造后的

在这里插入图片描述

图3 近景图

在这里插入图片描述

图4 模拟PC计数器给内存地址寄存器传值

在这里插入图片描述

改造二:

上述的改造还需要手动输入二进制,才能实现自动化,因此继续改造
根据之前写的整体流程,这里复制过来一份:
需要把这些流程全部替换成二进制(控制他们的开关)
0.step 0 , PC
1. 清空状态(把其他开关全关了)
1. 打开PC OE, 打开内存地址寄存器 WE
1. PC 输出位置(2位) 到内存地址寄存器
1. 清空状态
1. 打开 PC WE, PC自身加1 (永远指向下一条位置)
1.step 1,内存地址寄存器传送地址,内存缓存寄存器获取数据
1. 清空状态
1. 打开内存地址寄存器 OE, 打开内存缓存寄存器 WE, 打开内存 OE
1. 通过内存地址寄存器传输地址到内存
1. 内存收到的地址把此地址的一个字节(二进制不分[数据,指令])通过外部数据总线传输到内存缓存寄存器
2.step 2, 内存缓存寄存器把数据传送到指令寄存器
1. 清空状态
1. 打开内存缓存寄存器OE,打开指令寄存器WE,时钟一吼,立即传送到位
3.step 3,指令寄存器干活
1. 清空状态
1. 开始译码
1. 拆分1个字节,高4位操作码,低4位操作数(内存地址)
1. 如果操作码是ADD,则跳转到step 7
1. 如果操作码是MOV_TO_ADDR,跳转到step 8
1. 如果操作码是MOV_A,MOV_B则往下执行
1. 把低4位的地址传送到内存地址寄存器
1. 打开内存地址寄存器WE,打开指令寄存器OE,时钟一吼,低4位的地址就传送到了内存地址寄存器
4.step 4, 执行一次step 1, 传递地址获取内存数据
1. 执行一次step 1,此时内存缓存寄存器中有了数据
1. 这个时候根据指令本身来执行(译码),此时指令寄存器中的指令是1000,即MOV_A,因此需要把数据传送到寄存器A
5.step 5, 把数据传送到寄存器A
1. 清空状态
1. 打开内存缓存寄存器的OE, 打开寄存器A的WE,时钟脉冲一到, 一个字节的数据通过 CPU内部数据总线传送到了寄存器A,一条指令执行完毕
6.step 6, 回到step 0
7.step 7, 执行ADD
1. 清空状态
1. 打开寄存器A,寄存器B的OE,打开ALU的OE,打开寄存器C的WE, 时钟一到, A+B的结果就被存放在了寄存器C
1. ADD执行完毕,回到step 0
8.step 8, 执行MOV_TO_ADDR
1. 清空状态
1. 准备好数据与地址,打开指令寄存器OE,打开内存地址寄存器WE,打开寄存器C的OE, 打开内存缓存寄存器的WE,时钟一喊, 地址和数据都准备完成
1. 清空状态
1. 打开内存地址寄存器OE, 打开内存缓存寄存器OE,打开内存WE (往内存的某个地址上写数据)
1. 至此最后一条指令执行完毕
1. 再次回到step 0, 此时PC:0,因此将循环往复的从头执行

根据整体流程开始改造

一共17个开关,也就是17个1,0的二进制,我这里就不在前面补0了. 这里的流程与上面一一对应

MOV_A(1000)的流程:

0.step 0
1. 1000000001
1. 10 (这一步需要额外多算一步,这里只是为了对应上面的流程)
1.step 1
1. 11010000000000
2.step 2
1. 100000000000100
3.step 3
1. 1000001000
4.step 4
1. 11010000000000
5.step 5
1. 100000000010000

MOV_B(1001)的流程,与MOV_A的流程除了step 5不一样,其他都一样:

5.step 5
1. 100000010000000

ADD(1011)流程: step 0 ~ step 2都一样:

3.step 3
1. 1000000101100000

MOV_TO_ADDR(1010) 流程: step 0 ~ step 2一样

1. 10010001000001000
1. 100110000000000

指令分析流程

根据上面已经可以得到所有的开关2进制流程
类似内存单元中的2进制表来控制每个内存单元,但内存单元中的表还是需要手动输入
想要让这张表自动执行,需要一个由时钟控制的计数器
这个计数器的值,相当于地址,每次+1,地址就+1
根据上面的流程可知一共需要25组2进制,也就意味着需要25个地址,每个地址需要17位的数据,而查找表根据2的N次方来产生地址表,因此,需要2^5,相当于5位二进制
同时需要一个5位的计数器,对应查找表的5位地址
1. 建立一张查找表,存放对应的地址(5位)和数据(17位),图1
1. 5位的计数器,根据计数器每次+1来,找到对应查找表的地址, 执行相应的开关2进制
1. 每次时钟一吼, 5位计数器就得到响应,立马把地址传递到查找表, 查找表根据对应地址的数据输出开关2进制(图2)
1. 使用自动的实时时钟,10赫兹,图3
1. 10赫兹:一秒钟执行10组高低电频,MOV_A指令有7组,一秒大概能执行到MOV_B的step 1