這篇文章是計(jì)算機(jī)組成元素的第三章的總結(jié)翩瓜，是接著前一篇寫的携龟。沒看過前一篇的，可以去看下峡蟋。這是鏈接：
我們在之前介紹過的各種邏輯門，比如 Mux, DMux 等等仅乓，都是各種操作組合起來蓬戚。所以由這些門構(gòu)成的 chip 都叫組合 chip。像 CPU 里面的 ALU豫喧，這種提供了一些處理數(shù)據(jù)功能的芯片就是組合芯片的一種。很明顯光這種芯片肯定是不夠構(gòu)成一個(gè)簡單的馮諾伊曼體系的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)紧显，我們還需要一種芯片，即時(shí)序芯片涉兽，一種可以維持我們數(shù)據(jù)狀態(tài)的芯片篙程。
這里舉個(gè)例子來理解下時(shí)序芯片的作用，其實(shí)很簡單矿辽，任何一個(gè)高級語言郭厌，例如 C++，Java 都會(huì)聲明變量折柠，然后讓變量來保存一個(gè)值
int a = 10;
就像這樣的扇售，a 的值就永遠(yuǎn)是 10，而且你想用 a 的時(shí)候就直接用就行了承冰。你應(yīng)該會(huì)好奇在底層這種方式是如何實(shí)現(xiàn)的，這些功能就是要靠時(shí)序芯片來實(shí)現(xiàn)了寂屏。
我們先來介紹下背景知識娜搂。像我們前面舉的例子，a = 10 的意思就是對計(jì)算機(jī)說百宇，計(jì)算機(jī)携御，你要記住 a 是 10既绕，也就是說這是一種記憶行為婚苹。
記憶行為很明顯是跟時(shí)間有關(guān)的鸵膏，只有你在某一時(shí)間點(diǎn)告訴我了 a = 10，我才能在之后的時(shí)間內(nèi)知道 a 就是 10谭企。這就引發(fā)出了一個(gè)問題，計(jì)算機(jī)是如何表示時(shí)間這個(gè)概念非区。我們的時(shí)間觀念是年月日時(shí)分秒盹廷，那計(jì)算機(jī)的時(shí)間又是怎么回事？應(yīng)該有很多人都聽說過 CPU 主頻這個(gè)東西吧管怠，CPU的主頻表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度缸榄，脈沖信號就是這個(gè)東西：
計(jì)算機(jī)有一個(gè)主時(shí)鐘，在不停的發(fā)出連續(xù)的交流信號串她肯。低相位用0代表鹰贵，高相位用1代表，0-1瑞筐，0-1腊瑟，0-1就表示時(shí)間的流逝了。一個(gè)0-1就表示一個(gè)時(shí)鐘周期闰非，主頻就是表示了一秒內(nèi)出現(xiàn)了多少個(gè)時(shí)鐘周期。
計(jì)算機(jī)中的時(shí)間概念介紹完瘪贱，就該介紹 時(shí)序芯片菜秦。首先，我們來介紹一個(gè)最基本的時(shí)序元件尔店，F(xiàn)lip-Flops主慰，所有的高級的時(shí)序芯片，比如 Memory, registers共螺，都是基于此構(gòu)造成的。Flip-Flop 我們這邊都翻譯成觸發(fā)器匀哄。觸發(fā)器有好幾種種類雏蛮，RS 觸發(fā)器，D 觸發(fā)器铸抑，T 觸發(fā)器和 JK 觸發(fā)器等等衷模，具體的可以去維基百科上看詳細(xì)介紹。這里我們主要介紹 D 觸發(fā)器阱冶，簡稱 DFF。DFF 沒什么特別的至耻，它跟我們之前所寫的那些邏輯門都是一樣的镊叁，有輸入位也有輸出位。但是跟那些組合芯片唯一的不同是疤苹，它還有一個(gè) clock bit 輸入位敛腌，正如我們之前的介紹惫皱，時(shí)序邏輯是基于時(shí)間的尤莺，既然組合芯片是一個(gè)基于輸入輸出的函數(shù)，那時(shí)序邏輯很明顯就是基于時(shí)間的一個(gè)函數(shù)颤霎。DFF 實(shí)現(xiàn)的時(shí)間函數(shù)就是 :
out(t) = in(t - 1)捷绑，即當(dāng)前時(shí)鐘周期的輸出是上個(gè)時(shí)鐘周期的輸入
DFF 有兩個(gè)特點(diǎn)是需要非常注意的氢妈，也可以說是時(shí)序芯片的兩個(gè)特點(diǎn)：
1. 有一個(gè)時(shí)間的延遲（這里的時(shí)間的延遲，我們先暫且認(rèn)為這是 DFF 硬件內(nèi)置的一個(gè)屬性）
2. ?out 值只在一個(gè)周期結(jié)束壮吩，另一個(gè)周期開始的轉(zhuǎn)換點(diǎn)變換
Register
介紹完基礎(chǔ)的時(shí)序元件加缘，D 觸發(fā)器，我們就來看一些基于 D 觸發(fā)器的一些時(shí)序芯片沈贝。首先是 Registers勋乾，我們稱寄存器。寄存器跟 D 觸發(fā)器非常類似辑莫，只是寄存器實(shí)現(xiàn)的時(shí)間函數(shù)是 :
out(t) = out(t - 1)各吨，即當(dāng)前時(shí)鐘周期的輸出是上個(gè)時(shí)鐘周期的輸出
這個(gè)是書上的兩幅圖，第二幅圖描述的是如何基于 DFF 去構(gòu)造 一位的寄存器揭蜒，第一幅圖是錯(cuò)誤的實(shí)現(xiàn)屉更。因?yàn)槲覀冃枰タ刂萍虞d新值的時(shí)間，有可能我們不想在下個(gè)周期去加載新值偶垮，想在下下個(gè)周期去加載新值帝洪，所以我們需要一個(gè) load 位去控制何時(shí)加在新值葱峡。（注意：這里 DFF 中間有個(gè)小的三角形缺口龙助，表示的是我們之前介紹的 clock-bit 輸入位）。
這里說下這個(gè)一位寄存器的實(shí)現(xiàn)的一些提示：
1. 首先是決定是否加在新值提鸟，這個(gè)用 Mux 門很容易實(shí)現(xiàn)
2. ?為賦值的變量默認(rèn)是 0
3. ?DFF 可以輸出上個(gè)周期的值
4. 類似循環(huán)
這里實(shí)現(xiàn)的是一位的寄存器，當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)能存儲(chǔ)多位的寄存器就非常簡單了胸哥，一個(gè)寄存器如果擁有 n 個(gè)這樣一位的寄存器赡鲜，我們稱該寄存器的寬度是 n。然后寄存器一次能處理的 in 的位數(shù)又可以構(gòu)成一個(gè)新的計(jì)量單位嘲更，叫 Word （字）揩瞪，大多數(shù)寄存器一個(gè)字長就是表示它的寬度，然而有些寄存器比如說是 32 位寬的宠哄，但是一次只能處理16位的數(shù)喷屋，那該寄存器的一個(gè)字長就是16。 就是然后內(nèi)存 什么的基本都是以字為計(jì)量單位屯曹。
RAM
有了以上這些知識就可以去構(gòu)造一個(gè)我們經(jīng)常所說的 RAM，更準(zhǔn)確的說應(yīng)該是 RAM ?的一個(gè) unit密任。
RAM （Random Access Memory）指的是任何一個(gè)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)空間的字偷俭，不管它的物理位置在哪里，我們都能以相同的速度獲取到淹遵， ?
要滿足這樣的條件，RAM是這樣設(shè)計(jì)的：
1. 我們要給 RAM 中的每一個(gè)寄存器的每一個(gè) word 賦一個(gè)地址
2. ?我們要實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯門济炎，可以輸入一個(gè)地址辐真，就輸出一個(gè)位于該地址的寄存器
這里就可以看出一個(gè) RAM ?的基本參數(shù)：
1. 一個(gè)是數(shù)據(jù)寬度：一個(gè)字長是多少位的
2. size：總共是多少個(gè)字
Counters
計(jì)數(shù)器也是一個(gè)時(shí)序芯片。至于為什么介紹這個(gè)芯片耐床，因?yàn)槲覀兯鶎懙哪切┏绦蚋@個(gè)關(guān)系蠻大的楔脯。舉個(gè)例子，一個(gè)典型的 CPU 會(huì)有程序計(jì)數(shù)器钧敞，它的作用是表明下條應(yīng)該被執(zhí)行的指令的地址是什么麸粮。它的時(shí)間函數(shù)是：
out(t) = out(t - 1) + C镜廉，C 經(jīng)常為 1
典型的計(jì)數(shù)器還會(huì)有額外的功能。比如說齐遵，重置為 0塔插，加載一個(gè)新的 Constant等等
總結(jié)
總之，所有的時(shí)序芯片都可以用一幅圖來表示想许，這幅圖是書上的：
問題
我們已經(jīng)知道了兩種類型的芯片流纹，一種是組合芯片，一種是時(shí)序芯片漱凝。那平常計(jì)算機(jī)工作的時(shí)候，肯定是兩種芯片協(xié)同起來一起工作愕乎，當(dāng)兩種芯片協(xié)同起來工作的時(shí)候，就會(huì)有一些問題生成慎玖。
先來舉一個(gè)具體的例子笛粘，用我們之前的 ALU 來計(jì)算 X + Y，并把結(jié)果儲(chǔ)存到 Register A润努。首先我們要去存儲(chǔ) X 的寄存器的地方去獲得 X 的值示括，之后再去獲得 Y 的值，因?yàn)槲锢項(xiàng)l件的約束（比如說有些寄存器離 ALU 比較遠(yuǎn)垛膝，傳輸過程中受到干擾），ALU 有可能會(huì)在不同的時(shí)間點(diǎn)獲得正確的 X 和 Y 的值倚聚。所以想要 ALU 得出正確的結(jié)果是需要一段時(shí)間的凿可，在這段時(shí)間內(nèi)惑折，ALU 產(chǎn)出的結(jié)果都是我們不想要的，稱為 垃圾枯跑。那我們怎么保證寄存器最后存到的值是正確的惨驶？
我們在介紹寄存器曾經(jīng)說過，寄存器的輸出值的改變發(fā)生在每個(gè)周期開始的時(shí)候敛助，并且依賴于上個(gè)周期的值粗卜，所以解決方法就是，一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間設(shè)為剛好大于我去最遠(yuǎn)的一個(gè)寄存器去取值所需要花的時(shí)間纳击。這樣在每個(gè)時(shí)鐘周期的結(jié)束和下一個(gè)時(shí)鐘周期開始的轉(zhuǎn)換點(diǎn)续扔，寄存器就能獲取到正確的值。
結(jié)尾
書里评疗，沒有詳細(xì)介紹觸發(fā)器的具體實(shí)現(xiàn)，把觸發(fā)器作為基礎(chǔ)元素百匆，如果你有興趣可以自己去探尋一下是怎么實(shí)現(xiàn)的（可能需要懂更多的硬件知識）砌些，我也在研究，歡迎在評論區(qū)一起去討論。最后存璃，書中也提到了仑荐，現(xiàn)代的內(nèi)存芯片都是經(jīng)過仔細(xì)優(yōu)化的，會(huì)去利用硬件的一些物理屬性來實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)技術(shù)纵东。所以很多時(shí)候技術(shù)的實(shí)現(xiàn)粘招，都是一個(gè)性價(jià)比的問題。
這里放我自己寫的那些邏輯門的 Code:
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