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CPU 到底是怎么識別代碼的?

2020年07月17日 16:48 ? 次閱讀

CPU 到底是怎么識別代碼的?

首先要開始這個話題要先說一下半導體。啥叫半導體?

半導體其實就是介于導體和絕緣體中間的一種東西,比如二極管

CPU 到底是怎么識別代碼的?

電流可以從A端流向C端,但反過來則不行。你可以把它理解成一種防止電流逆流的東西。

當C端10V,A端0V,二極管可以視為斷開。

當C端0V,A端10V,二極管可以視為導線,結果就是A端的電流源源不斷的流向C端,導致最后的結果就是A端=C端=10V

等等,不是說好的C端0V,A端10V么?咋就變成結果是A端=C端=10V了?

你可以把這個理解成初始狀態,當最后穩定下來之后就會變成A端=C端=10V。

文科的童鞋們對不住了,實在不懂問高中物理老師吧。反正你不能理解的話就記住這種情況下它相當于導線就行了。

利用半導體,我們可以制作一些有趣的電路,比如【與門】

CPU 到底是怎么識別代碼的?

此時A端B端只要有一個是0V,那Y端就會和0V地方直接導通,導致Y端也變成0V。只有AB兩端都是10V,Y和AB之間才沒有電流流動,Y端也才是10V。

我們把這個裝置成為【與門】,把有電壓的地方計為1,0電壓的地方計為0。至于具體幾V電壓,那不重要。

也就是AB必須同時輸入1,輸出端Y才是1;AB有一個是0,輸出端Y就是0。

其他還有【或門】【非門】和【異或門】,跟這個都差不多,或門就是輸入有一個是1輸出就是1,輸入00則輸入0。

非門也好理解,就是輸入1輸出0,輸入0輸出1。

異或門難理解一些,不過也就那么回事,輸入01或者10則輸出1,輸入00或者11則輸出0。(即輸入兩個一樣的值則輸出0,輸入兩個不一樣的值則輸出1)。

這幾種門都可以用二極管做出來,具體怎么做就不演示了,有興趣的童鞋可以自己試試。每次都畫二極管也是個麻煩,我們就把門電路簡化成下面幾個符號。

CPU 到底是怎么識別代碼的?

然后我們就可以用門電路來做CPU了。當然做CPU還是挺難的,我們先從簡單的開始:加法器。

加法器顧名思義,就是一種用來算加法的電路,最簡單的就是下面這種。

CPU 到底是怎么識別代碼的?

AB只能輸入0或者1,也就是這個加法器能算0+0,1+0或者1+1。

輸出端S是結果,而C則代表是不是發生進位了,二進制1+1=10嘛。這個時候C=1,S=0

費了大半天的力氣,算個1+1是不是特別有成就感?

那再進一步算個1+2吧(二進制01+10),然后我們就發現了一個新的問題:第二位需要處理第一位有可能進位的問題,所以我們還得設計一個全加法器。

CPU 到底是怎么識別代碼的?

每次都這么畫實在太麻煩了,我們簡化一下

CPU 到底是怎么識別代碼的?

也就是有3個輸入2個輸出,分別輸入要相加的兩個數和上一位的進位,然后輸入結果和是否進位。

然后我們把這個全加法器串起來

CPU 到底是怎么識別代碼的?

我們就有了一個4位加法器,可以計算4位數的加法也就是15+15,已經達到了幼兒園中班水平,是不是特別給力?

做完加法器我們再做個乘法器吧,當然乘任意10進制數是有點麻煩的,我們先做個乘2的吧。

乘2就很簡單了,對于一個2進制數數我們在后面加個0就算是乘2了

比如:

5=101(2)

10=1010(2)

所以我們只要把輸入都往前移動一位,再在最低位上補個零就算是乘2了。具體邏輯電路圖我就不畫,你們知道咋回事就行了。

那乘3呢?簡單,先位移一次(乘2)再加一次。乘5呢?先位移兩次(乘4)再加一次。

所以一般簡單的CPU是沒有乘法的,而乘法則是通過位移和加算的組合來通過軟件來實現的。這說的有點遠了,我們還是繼續做CPU吧。

現在假設你有8位加法器了,也有一個位移1位的模塊了。串起來你就能算 了!

(A+B)X2

激動人心,已經差不多到了準小學生水平。

那我要是想算呢?

AX2+B

簡單,你把加法器模塊和位移模塊的接線改一下就行了,改成輸入A先過位移模塊,再進加法器就可以了。

啥????你說啥???你的意思是我改個程序還得重新接線?

所以你以為呢?編程就是把線來回插啊。

CPU 到底是怎么識別代碼的?

驚喜不驚喜?意外不意外?

早期的計算機就是這樣編程的,幾分鐘就算完了但插線好幾天。而且插線是個細致且需要耐心的工作,所以那個時候的程序員都是清一色的漂亮女孩子,穿制服的那種,就像照片上這樣。是不是有種生不逢時的感覺?

雖然和美女作伴是個快樂的事,但插線也是個累死人的工作。所以我們需要改進一下,讓CPU可以根據指令來相加或者乘2。

這里再引入兩個模塊,一個叫flip-flop,簡稱FF,中文好像叫觸發器

這個模塊的作用是存儲1bit數據。比如上面這個RS型的FF,R是Reset,輸入1則清零。S是Set,輸入1則保存1。RS都輸入0的時候,會一直輸出剛才保存的內容。

我們用FF來保存計算的中間數據(也可以是中間狀態或者別的什么),1bit肯定是不夠的,不過我們可以并聯嘛,用4個或者8個來保存4位或者8位數據。這種我們稱之為寄存器(Register)。

另外一個叫MUX,中文叫選擇器。

這個就簡單了,sel輸入0則輸出i0的數據,i0是什么就輸出什么,01皆可。同理sel如果輸入1則輸出i1的數據。當然選擇器可以做的很長,比如這種四進一出的

具體原理不細說了,其實看看邏輯圖琢磨一下就懂了,知道有這個東西就行了。

有這個東西我們就可以給加法器和乘2模塊(位移)設計一個激活針腳。

這個激活針腳輸入1則激活這個模塊,輸入0則不激活。這樣我們就可以控制數據是流入加法器還是位移模塊了。

于是我們給CPU先設計8個輸入針腳,4位指令,4位數據。

我們再設計3個指令:

0100,數據讀入寄存器

0001,數據與寄存器相加,結果保存到寄存器

0010,寄存器數據向左位移一位(乘2)

為什么這么設計呢,剛才也說了,我們可以為每個模塊設計一個激活針腳。然后我們可以分別用指令輸入的第二第三第四個針腳連接寄存器,加法器和位移器的激活針腳。

這樣我們輸入0100這個指令的時候,寄存器輸入被激活,其他模塊都是0沒有激活,數據就存入寄存器了。同理,如果我們輸入0001這個指令,則加法器開始工作,我們就可以執行相加這個操作了。

這里就可以簡單回答這個問題的第一個小問題了:

那cpu 是為什么能看懂這些二級制的數呢?

為什么CPU能看懂,因為CPU里面的線就是這么接的唄。你輸入一個二進制數,就像開關一樣激活CPU里面若干個指定的模塊以及改變這些模塊的連同方式,最終得出結果。

幾個可能會被問道的問題

Q:CPU里面可能有成千上萬個小模塊,一個32位/64位的指令能控制那么多嗎?

A:我們舉例子的CPU里面只有3個模塊,就直接接了。真正的CPU里會有一個解碼器(decoder),把指令翻譯成需要的形式。

Q:你舉例子的簡單CPU,如果我輸入指令0011會怎么樣?

A:當然是同時激活了加法器和位移器從而產生不可預料的后果,簡單的說因為你使用了沒有設計的指令,所以后果自負唄。(在真正的CPU上這么干大概率就是崩潰唄,當然肯定會有各種保護性的設計,死也就死當前進程)

細心的小伙伴可能發現一個問題:你設計的指令

【0001,數據與寄存器相加,結果保存到寄存器】

這個一步做不出來吧?畢竟還有一個回寫的過程,實際上確實是這樣。我們設計的簡易CPU執行一個指令差不多得三步,讀取指令,執行指令,寫寄存器。

經典的RISC設計則是分5步:讀取指令(IF),解碼指令(ID),執行指令(EX),內存操作(MEM),寫寄存器(WB)。我們平常用的x86的CPU有的指令可能要分將近20個步驟。

你可以理解有這么一個開關,我們啪的按一下,CPU就走一步,你按的越快CPU就走的越快。咦?聽說你有個想法?少年,你這個想法很危險啊,姑且不說你有沒有麒麟臂,能不能按那么快(現代的CPU也就2GHz多,大概也就一秒按個20億下左右吧)

就算你能按那么快,雖然速度是上去了,但功耗會大大增加,發熱上升穩定性下降。江湖上確實有這種玩法,名曰超頻,不過新手不推薦你嘗試哈。

那CPU怎么知道自己走到哪一步了呢?前面不是介紹了FF么,這個不光可以用來存中間數據,也可以用來存中間狀態,也就是走到哪了。

具體的設計涉及到FSM(finite-state machine),也就是有限狀態機理論,以及怎么用FF實裝。這個也是很重要的一塊,考試必考哈,只不過跟題目關系不大,這里就不展開講了。

我們再繼續剛才的講,現在我們有3個指令了。我們來試試算個(1+4)X2+3吧。

0100 0001 ;寄存器存入1

0001 0100 ;寄存器的數字加4

0010 0000 ;乘2

0001 0011 ;再加三

太棒了,靠這臺計算機我們應該可以打敗所有的幼兒園小朋友,稱霸大班了。而且現在我們用的是4位的,如果換成8位的CPU完全可以吊打低年級小學生了!

實際上用程序控制CPU是個挺高級的想法,再此之前計算機(器)的CPU都是單獨設計的。

1969年一家日本公司BUSICOM想搞程控的計算器,而負責設計CPU的美國公司也覺得每次都重新設計CPU是個挺傻X的事,于是雙方一拍即合,于1970年推出一種劃時代的產品,世界上第一款微處理器4004。

這個架構改變了世界,那家負責設計CPU的美國公司也一步一步成為了業界巨頭。哦對了,它叫Intel,對,就是噔噔噔噔的那個。

我們把剛才的程序整理一下,

01000001000101000010000000010011

你來把它輸入CPU,我去準備一下去幼兒園大班踢館的工作。神馬?等我們輸完了人家小朋友掰手指都能算出來了??

沒辦法機器語言就是這么反人類。哦,忘記說了,這種只有01組成的語言被稱之為機器語言(機器碼),是CPU唯一可以理解的語言。不過你把機器語言讓人讀,這誰也受不了。

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《紐約時報》近日報道消息,美聯邦通信委員會以中國電信設備商華為和中興觸及國家安全威脅為由,對兩家企業....
發表于 2020-07-14 09:13? 163次閱讀
隨著集成電路技術不斷升級,芯片設計難度也在提升

國產IP/自主芯片生態鏈即將迎來黃金發展期

如今,全球半導體先進制程之戰新的交鋒已然火花四射。中國面對不友好的國際環境,國產替代的呼聲風起云涌。....
發表于 2020-07-14 09:10? 92次閱讀
國產IP/自主芯片生態鏈即將迎來黃金發展期

采用電荷定標型結構實現12bitADC的設計和仿...

逐次逼近轉換器(SAR-ADC)由采樣保持、比較器、DAC和數字控制邏輯組成,其工作原理圖如圖1所示....
發表于 2020-07-13 17:53? 50次閱讀
采用電荷定標型結構實現12bitADC的設計和仿...

CPU有哪些接口

LGA2011,又稱SocketR,是英特爾(Intel)SandyBridge-EX微架構CPU所....
發表于 2020-07-13 17:42? 58次閱讀
CPU有哪些接口

5G芯片之爭:國內廠商嶄露頭角,提前打響價格戰

5G之爭中,芯片廠商的競爭也比以往更激烈。今年1月,高通驍龍765芯片降價,宣布了5G芯片價格戰提前....
發表于 2020-07-13 17:08? 657次閱讀
5G芯片之爭:國內廠商嶄露頭角,提前打響價格戰

半導體行業在經濟發展中扮演的角色

從下游應用看,集成電路主要終端如手機、汽車、微型計算機等產量大幅下降。李毅中指出,這或將傳導到上游集....
發表于 2020-07-13 17:00? 394次閱讀
半導體行業在經濟發展中扮演的角色

了解常見的RF半導體制造工藝

半導體材料是一類具有半導體性能(導電能力介于導體與絕緣體之間,電阻率約在1mΩ·cm~1GΩ·cm范....
發表于 2020-07-13 16:32? 195次閱讀
了解常見的RF半導體制造工藝

調試讀取發送狀態寄存器的值一直為0x1E是怎么回事

然后在線調試讀取發送狀態寄存器的值一直為0x1E,,我看網上正確的值是0x2E,這是什么原因呀?...
發表于 2020-07-13 10:35? 5次閱讀
調試讀取發送狀態寄存器的值一直為0x1E是怎么回事

stm32f407+nrf24L01與USB轉nrf2401上位機通信問題如何解決

大佬們,這幾天在調試f407經nrf2401與PC進行通訊,現在問題是能確認數據發送成功,但是上位機接收不到,不清楚什么情...
發表于 2020-07-13 10:35? 6次閱讀
stm32f407+nrf24L01與USB轉nrf2401上位機通信問題如何解決

基于MstarMSB9100B的Smart-CoreTYPE-C轉HDMI解決方案

  一、方案概述:   Smart-CoreTYPE-C轉HDMI解決方案采用MstarMSB9100B,內置CPU,flash功能...
發表于 2020-07-01 17:09? 188次閱讀
基于MstarMSB9100B的Smart-CoreTYPE-C轉HDMI解決方案

一款通用的半導體參數測量工具軟件分享

  FastLab是一款通用半導體參數測量工具軟件,主要用于在半導體實驗室中協同探針臺與測量儀器進行自動化的片上半導...
發表于 2020-07-01 09:59? 299次閱讀
一款通用的半導體參數測量工具軟件分享
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