簡易電腦的搭建

来源:https://www.cnblogs.com/wangsiyaoa/archive/2023/12/07/17881205.html
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版本 Linux 6.5 背景 在學習cgroupv2的時候,想給子cgroup開啟cpu控制器結果失敗了: # 查看可以開啟哪些控制器 root@ubuntu-vm:/sys/fs/cgroup# cat cgroup.controllers cpuset cpu io memory hugetl ...


簡易電腦的搭建

1、一些無關緊要的前置知識

​ 現代電腦類設備的主流架構一般有兩種:一為馮諾依曼體系架構;一為哈弗架構。

​ 主流電腦採用的架構一般為馮諾依曼體系,是將程式和數據放在一起存儲的架構;

​ 單片機設備一般採用哈弗架構,是將程式與數據分開存儲的一種架構。

以下基本都是有關馮諾依曼架構的知識

​ 馮諾依曼架構提出電腦由四個子系統構成:存儲器(寄存器、記憶體、硬碟)、計算單元(ALU)、控制單元(進行協調各個單元)、輸入輸出單元(外設)。

​ CPU(中央處理器)是由寄存器計算單元控制單元組成。

​ 一般64位機的系統為64bit.

​ CPU和記憶體、硬碟、外設等非CPU內部組件連接的中介為匯流排。匯流排分為 數據匯流排(兩端組件可雙向通信)、地址匯流排(單向)、控制匯流排(單向,用於傳送指令)。

​ 一個機器周期:取指令 ----> 解碼 ----> 執行。有流水線時,可以相較來說同時進行,比如可在解碼時進行下一個周期的取指令。

​ CPU指令架構分為 CISC複雜指令集(一般 x86CPU 電腦)和 RISC精簡指令集(一般 ARM的CPU 手機、單片機)。

2、復用器(選擇器)

​ 復用器的作用是選擇使用哪一個組件輸入進來的數。

​ 最簡單的復用器是輸入兩個二進位位,輸出指定的一個。這個功能可以使用一個單刀雙擲的繼位器實現,控制繼位器的觸點選擇和繼位器的高低電平實現選擇輸出。

​ 多位的復用器可以使用幾個單個復用組成。一個復用器分高低電平,低走下一層第一個復用器,高走下一層第二個復用器,如此反覆可實現多位復用器。

​ 輸入n個二進位位和一個選擇數,選擇數可以是十進位,十進位0即走第零個,以此類推。也可以將十進位拆成二進位來選擇,拆成二進位時,把整個復用器看作好幾個組合成的,最高位走最後一個小的二選一復用器進行次層兩邊的選擇,依此類推。

n位復用器即2^n個輸入和一個位數選擇和一個輸出

3、簡易的計算單元(ALU)

​ 由加法器、減法器(實際電腦中沒使用,這裡直接用了)、與、或和兩個復用器及一些輸入輸出構成。輸入為兩個操作數、一個進位數、一個選擇數(選擇輸出哪個運算結果。截取一下這個選擇數的低一位,作為加法器和減法器的進位/借位選擇,不截取的話複位器要選擇位數多的,造成浪費。)。輸出為一個結果和一個進位/借位。

我們做的ALU會把所有運算都做一遍輸出選擇的運算,有沒有辦法讓它只作我們選擇的運算?

4、PC計數器

​ 一個加法器和一個寄存器和幾個輸入輸出組成。寄存器的輸出傳給加法器的一個操作數,同時寄存器的輸出作為計數器的結果,第一次寄存器的輸出為0,所以計數器從0開始計數;加法器的另一個操作數為1,進位器0;加法器的輸出有兩個,一個相加的結果,放進寄存器的輸入,進行下次加一,另一個輸出為進位,溢出後,相加結果變為零,進行第二輪的計數。寄存器有一個使能開關,和一個時鐘。一次時鐘周期進行一次加一計數。

5、實現一塊記憶體

​ 使用分線器和n個寄存器即可實現一個n位定址的存儲,具體細節略。

6、帶記憶體和寄存器的ALU

​ 只說下原理。可以對PC計數器操作實現從記憶體的不同地址讀出數據(可以通過輸入往記憶體中輸入數據),讀出數據後通過ALU與寄存器中的數相加(寄存器中初始為0),即第一次相加得到第一個數放到寄存器中,如此迴圈,可以實現從記憶體中不斷讀數並不斷相加。

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