深入计算机组成原理（十七）建立数据通路（上）：指令+运算=CPU

前面几讲里，我从不同的部分为你讲解了CPU的功能。

在“指令”部分，我为你讲解了计算机的“指令”是怎么运算的，也就是我们撰写的代码，是怎么编程一条条的机器能够理解的指令的，以及是按照什么样的顺序运行的。

在“计算”部分，我为你讲解了计算机的“计算”部分是怎么执行的，数据的二进制表示是怎么样的，我们执行的加法和乘法又是通过什么样的电路来实现的。

然而，光知道在两部分还不能算是真正揭开了CPU的秘密，只有把“指令”和“计算”着两部分功能连通起来，我们才能构成一个真正完整的CPU。这一讲，我们就在前面知识的基础上，来看一个完整的CPU是怎么运转起来的。

指令周期（Instruction Cycle）

前面讲计算机机器码的时候，我向你介绍过PC寄存器、指令寄存器，还介绍过MIPS体系结构的计算机所用到的R、I、J类指令。如果我们仔细看一看，可以看到，计算机每执行一条指令的过程，可以分解为这样几个步骤。

1.Fetch（取得指令），也就是从PC寄存器里找到对应的指令地址，根据指令地址从内存里把具体的指令，加载到指令寄存器中，然后把PC寄存器自增，好在未来执行下一条指令。

2.Decode（指令译码），也就是根据指令寄存器里面的指令，解析成要进行什么样的操作，是R、I、J中的哪一种指令，具体要操作哪些寄存器、数据或者内存地址。

3.Execute（执行指令），也就是实际运行对应的R、I、J这些特定的指令，进行算术逻辑操作、数据传输或者直接的地址跳转。

4.重复进行1 ~ 3 的步骤。

这样的步骤，其实就是一个永不停歇的“Fetch - Decode - Execute”的循环，我们把这个循环称之为指令周期（Instruction Cycle）。

在这个循环过程中，不同部分其实是由计算机中的不同组件完成的。不知道你还记不记得，我们在专栏一开始讲的计算机组成的五大组件？

在取指令的阶段，我们的指令是放在存储器里的，实际上，通过PC寄存器和指令寄存器取出指令的过程，是由控制器（Control Unit）操作的。指令的解码过程，也是由控制器进行的。一旦到了执行指令阶段，无论是进行算术操作、逻辑操作的R型指令，还是进行数据传输、条件分支的I型指令，都是由算术逻辑单元（ALU）操作的，也是由运算器处理的。不过，如果是一个简单的无条件地址跳转，那么我们可以直接在控制器里面完成，不需要用到运算器。

除了Instruction Cycle这个指令周期，在CPU里面我们还会提到另外两个常见的Cycle。一个叫Machine Cycle，机器周期或者CPU周期。CPU内部的操作速度很快，但是访问内存的速度确要慢很多。每一条指令都需要从内存里面加载而来，所以我们一般把从内存里面读取一条指令的最短时间，称为CPU周期。

还有一个是我们之前提过的Clock Cycle，也就是时钟周期以及我们机器的主频。一个CPU的周期，通常会由几个时钟周期累积起来。一个CPU周期的时间，就是这几个Clock Cycle的总和。

对于一个指令周期来说，我们取出一条指令，然后执行它，至少需要两个CPU周期，取出指令至少需要一个CPU周期，执行至少也需要一个CPU周期，复杂的指令则需要更多的CPU周期。

所以，我们说一个指令周期，包含多个CPU周期，而一个CPU周期包含多个时钟周期。

建立数据通路

不少人会问，ALU就是运算器吗？在讨论计算机五大组件的运算器的时候，我们提到过好几个不同的相关名词，比如ALU、运算器、处理器单元、数据通路，它们之间到底是什么关系呢？

名字是什么其实并不重要，一般来说，我们可以认为，数据通路就是我们的处理器单元。它通常由两类原件组成。

第一类叫操作元件，也叫组合逻辑元件（Combinational Element），其实就是我们的ALU。在前面讲ALU的过程中可以看到，它们的功能就是在特定的输入下，根据下面的组合电路的逻辑，生成特定的输出。

第二类叫存储元件，也有叫状态元件（State Element）的。比如我们在计算过程中需要用到的寄存器，无论是通用寄存器还是状态寄存器，其实都是存储元件。

我们通过数据总线的方式，把它们连接起来，就可以完成数据的存储、处理和传输了，这就是所谓的建立数据通路了。

下面我们来说控制器。它的逻辑就没那么复杂了。我们可以把它看成知识机械的重复“Fetch - Decode - Execute”循环中的前两个步骤，然后把最后一个步骤，通过控制器产生的控制信号交给ALU去处理。

听起来是不是很简单？实际上，控制器的电路非常复杂。

一方面，所有CPU支持的指令，都会在控制器里面，被解析成不同的输出信号。我们之前说过，现在的Intel CPU支持2000个以上的指令。这意味着，控制器输出的控制信号，至少有2000种不同的组合。

运算器里的ALU和各种组合逻辑电路，可以认为是一个固定功能的电路。控制器“翻译”出来的，就是不同的控制信号。这些控制信号，告诉ALU去做不同的计算，。可以说正事控制器的存在，让我们可以“编程”来实现功能，让我们的存储程序型计算机名副其实。

CPU所需要的硬件电路

那么，要向搭建出来整个CPU，我们需要在数字电路层面，实现这样一些功能。

首先，自然是我们之前已经讲解过的ALU了，它实际就是一个没有状态的，根据输入计算输出结果的第一个电路。

第二，我们需要有一个能够进行状态读写的电路元件，也就是我们的寄存器。我们需要有一个电路，能够存储到上一次的计算结果。这个计算结果并不一定要立刻拿到电路的下游去使用，但是可以在需要的时候拿出来用。常见的能够进行状态读写的电路，就有锁存器（Latch），以及我们后面要讲的D触发器（Data/Delay Flip-flop）的电路。

第三，我们需要有一个“自动”的电路，按照固定的周期，不停的实现PC寄存器的自增，自动的去执行“Fetch - Decode - Execute”的步骤。我们的程序执行，并不是靠人去拨动开关来执行指令的。我们希望有一个“自动”的电路，不停地去一条条执行指令。

我们看似写了各种复杂的高级程序进行各种函数调用、条件跳转，其实只是修改PC寄存器里面的地址。PC寄存器里面的地址一修改，计算机就可以加载一条新指令，往下运行。实际上,PC寄存器还有一个名字，就叫做程序计数器。顾名思义，就是随着时间变化，不断去数数，数的数变大了，就去执行一条新指令。所以，我们需要的就是一个自动数数的电路。

第四，我们需要有一个“译码”的电路。无论是对于指令进行decode，还是对于拿到的内存地址去获取对应的数据或者指令，我们都需要通过一个电路找到对应的数据。这个对应的自然就是“译码器”的电路了。

好了，现在我们把这四类电路，通过各种方式组合在一起，就能最终组成功能强大的CPU了。但是，要实现这四种电路中的中间两种，我们还需要时钟电路的配合。下一节，我们一起来看一看，这些基础的电路功能是怎么实现的，以及怎么把这些电路组合起来变成一个CPU。

总结延伸

好了，到这里，我们已经把CPU运转需要的数据通路和控制器介绍完了，也找出了需要完成这些功能，需要的4种基本电路。它们分别是，ALU这样的组合逻辑电路、用来存储数据的锁存器和D触发器电路、用来实现PC寄存器的计数器电路，以及用来解码和寻址的译码器电路。

虽然CPU已经是由几十亿个晶体管组成的及其复杂的电路，但是它仍然是由这样一个个基本功能的电路组成的。只要搞清楚这些电路的运行原理，你自然也就弄明白了CPU的工作原理。

思考

这一讲，我们说CPU好像一个永不停歇的机器，一直在不停地读取下一条指令去运行。那为什么CPU还会有满载运行和Idle闲置的状态呢？