计算机中的第三个伟大发明

news2025/4/16 16:58:00

本节我们学习了控制计算机跳转指令的第三个发明的由来，以及清除指令。并且展示了计算机的整体控制部分的布线图。

第三个发明

对于跳转指令，有时它会跳转，有时不会。跳或不跳只是两种可能性，所以只需要一个bit就可以确定哪一种会发生。计算机的第三个伟大发明，是用来确定这个bit的。

还记得我们之前讲过的ALU部件的“进位”吗？加法或者移位会产生这个“进位”。另外有个bit告诉我们两个输入是否相等，一个bit告诉我们a输入是否较大，还有一个bit告诉我们ALU的输出是否全为零。这些bit的使用是我们还没有提及的东西。这四位将被称为“标志”位，它们将用于决定“Jump If”指令是执行RAM中的下一条指令还是跳转到其他地址。

我们试图让计算机完成的是，首先执行一条ALU指令，然后有一条或多条“Jump If”指令。“Jump If”将根据ALU指令期间发生的情况跳转或不跳转.

当然，当“Jump If”执行时，ALU指令的结果早已消失。如果你回过头来看ALU指令的细节，只有在步骤5中，所有正确的输入才会进入ALU，并且得到想要的答案。此时，答案被设置为ACC。所有四个标志位的开启时间相同，它们仅在ALU指令的步骤5期间有效。因此，我们需要一种方法将标志位的状态保存为ALU指令步骤5期间的状态。

这是我们要添加到CPU的最后一个寄存器。这将被称为FLAG寄存器，我们将只使用其中的四位，每个标志一个。来自ALU的标志位连接到该寄存器的输入端，它将在ALU指令的第5步期间被设置，就像ACC一样，它将一直保持设置状态，直到下一次执行ALU指令。因此，如果有一条ALU指令后跟一条“Jump If”指令，“标志”位可以用来“决定”是否跳转。

每个指令周期都使用步骤1中的ALU向下一条指令的地址加1，但只有ALU指令的步骤5有设置标志的连接。（我们没有在ALU指令的布线中显示这种连接，因为我们还没有引入Flag Reg，但它将出现在完整的控制部分图中。）Flag位和Jump IF指令的组合是第三个也是最后一个伟大的发明，使我们今天所知的计算机能够工作。

这是“Jump If”指令的指令代码。指令的后四位告诉CPU应该检查哪个标志。在与要测试的标志相对应的指令位中输入“1”。如果您测试的任何一个标志打开，则跳转将发生。这种安排为我们提供了许多决定是否跳的方法。如果跳转被执行，则有第二个字节包含要跳转到的地址

这是控制部分的接线，使跳转指令起作用。

第4步将IAR移动到MAR，因此我们准备好获得“跳转到地址”，如果我们跳转，我们将使用它。但因为我们可能不会跳转，我们还需要计算RAM中下一条指令的地址。因此，步骤4也打开总线1并在ACC中设置答案。

在步骤5中，我们将ACC移动到IAR，这样我们就可以在不跳转的情况下获取下一条指令。

第6步是做出“决定”的地方。如果AND门的第三个输入打开，我们将把指令的第二个字节从RAM移到IAR。第三个输出来自有四个输入的OR门。这四个输入来自与IR中的Jump If指令的最后四位进行AND运算后的四个Flag位。例如，如果指令的“等于”位中有“1”，并且“等于”标志位处于启用状态，则跳转将发生。

这里有更多关于我们计算机语言的单词。”“J”表示跳跃，“C”表示进位，“A”表示A较大，“E”表示A等于B，“Z”表示答案全部为零。下面是测试单个Flag的语言

您还可以通过在四个位中的多个位中输入1来同时测试多个标志位。实际上，由于有四个位，所以有16种可能的组合，但四个位都关闭的组合没有用，因为它永远不会跳。为了完整起见，以下是其余的可能性。

清除标志指令

当进行加法或者移位时候，我们有可能通过操作打开进位标志。但会出现的问题是，如果您只是添加两个单字节数字，那么您不关心任何先前的进位，但进位标志可能仍然是从先前的操作中设置的。在这种情况下，你可以加上2+2，得到5！

因此，我们需要一个清除标志指令，在出现意外进位问题的任何加法或移位之前使用该指令。这是此指令的指令代码。不使用第4、5、6，7的bit位。

这条线路非常简单，也有点棘手。我们不会在总线上启用任何东西，因此它和“A”ALU输入将全部为零。我们将打开“总线1”，因此“B”输入为0000 0001。我们不会向ALU发送操作，因此它将处于ADD模式。因此，ALU将0和1相加，可能存在进位输入。然后答案将是0000 0001或0000 0010。但不会有进位输出，答案不是零，B大于A，因此“等于”和“大于A”都将关闭。此时，当所有四个标志位都关闭时，我们“设置”标志寄存器