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P1W5U5.3 - Central Processing Unit

第五周，前两节课 U5.1 和 U5.2 基本上大概描述了一下 总线 和 CPU 执行程序时的运行方式。

这节课 U5.3，老师就提供了一种实现CPU的 逻辑单元组成图。

老师在给出一种方案前，还是要再说说抽象概念。感叹了一下CPU的神奇与美丽，静态程序马上就可以被运行起来了，仔细想想是挺不可思议。

CPU黑盒

CPU黑盒，执行当前命令，准备下一条要执行的命令

讲CPU的内部方案前，先说明一下黑盒对外的输入输出，主要就是和 数据存储和 程序存储 的交互。

黑盒左侧三个输入

16位data 要被当前命令处理的数据
16位instruction 当前的命令
还有1位输入之后再说 reset

CPU 的 输入项

黑盒右侧四个输出

16位outM 要写回的数据（往data memory存的数据）
1位writeM 是否写标识 （决定上面数据要不要写，也可以丢弃）
15位addressM 要存哪 （如果决定写入，那么这个提供写入data memory里的地址）
15位pc 下一条要执行的命令的地址（这个很重要，接下来会讲到）

CPU 的 输出项

打开黑盒

老师提供了其中一种高效简洁的方案，如下图

蓝色框的左右侧是上面提到的 输入和输出。

蓝色框内部，一看都是我们之前学过的。
（ALU 回顾 U2.4）
（PC 回顾 U3.4）

c 符号是控制位 control bits 不过这些从哪里来？老师故意不说清楚的，就是让学生在作业里自己搞明白...，命令里提取出来的？

黑盒内部

下面老师分三部分来讲解 CPU黑盒的内部

黑盒第一部分

19.png

第一部分主要是 处理指令，放大如下

首先如下图，看一个 指令@3001，回顾U4.3我们知道
@3001 就是把 3001 存入A register

（指令分 A指令 和 C指令，回顾U4.3）

A register 还有可能存入 ALU 的数据输出 （上图的outM），有一个Mux16的c控制位决定。

A register 根据之前 U4.3 的知识回顾，有三个功能。

A命令有设置常数参与计算的功能。应该就是上图A register输出 走入ALU的箭头路线。

A命令，还有自动选取M 寄存器 的功能。所以上图 A register输出 不加控制位，直接有一箭头走到 addressM

A命令，还有可能参与跳转，所以上图再往下 A register输出 有一箭头走到了PC（回顾U4.3 实例练习3）

@3001 的二进制数最左侧是0，代表是A指令

黑盒第二部分

在开始讲第二部分前，回顾一下C指令 （具体请看 U4.4）

最左边一位为1，代表C-指令，然后依次往右两位没用到，但是惯例设成1。
然后7位 蓝色0011111 代表 comp （决定选择哪些寄存器，参与什么运算）
然后3位 绿色010 代表 dest（决定结果存在哪里）
最后3位 红色111 代表 jump（决定运算结果与0进行那种判断，跳转位置需提前存在A寄存器）

C指令，回顾第四周内容

接下来讲解最黑盒内部复杂的部分-ALU

ALU 回顾 U2.4

放大如下图

ALU 输入

一个 D 寄存器
一个 A寄存器或者M寄存器

对进入的两个数，进行怎样的操作，由C指令上的 蓝色 数决定（不应该是7位吗？回顾U2.4 和 U4.4，为啥图里只有6位）

命令中的蓝色位决（comp）定由谁（D、A、M寄存器）参与什么计算

ALU 输出

上面提到回顾U4.4时，ALU输出存在哪里由 下图绿色三位决定（dest）

ALU 的输出会同时 送到 D、A、M寄存器，但是三个寄存器是不是要接受，就由dest决定了。

这个看来图中c标志都是根据 指令里提取出来的

注意上图里 ALU 还有两个 输出位，如下图所示

一个说明 ALU的计算结果是否为 负
一个说明 ALU的计算结果是否为 零

这个和接下来黑盒第三部分PC，有关

是负吗？是零吗？

黑盒第三部分

第三部分
Reset：它就像计算机重启按钮，一按hack小电脑就从头开始执行程序
（估计就是把PC地址设置成 instruction memory 的第一个位置。）

PC：决定下一条指令的地址

Reset、 PC

下图左侧C指令里红色位（jjj）回顾U4.4

如果
jjj = 000，不跳转，下一步执行，PC自加1的位置
jjj = 111，直接跳转，下一步执行，PC等于当前A存的位置
有条件跳转，参考U4.4里的一个图表。

这里具体几个细节如何实现老师让自己想

这里老师给出一个大概判断顺序，如下图

先判断 Reset
再通过 当前指令的jump（jjj） 和 ALU 两个输出 控制位（是负？是零？）
得出一个结果（load）
在通过load来判断PC如何设置下一条指令的地址。

原理讲清楚了，具体怎么实现还是自己想

到此 HACK小电脑的 CPU 就算讲解完了。
照理说，现在可以去写那个 HDL吧。
老师说别急。
因为CPU涉及到整个架构（存储啊，显示器，键盘）
总之先听完下节课再动手。