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时钟信号是如何推进CPU的内部操作的?

2020-03-23知识

时钟的作用是同步信号。

既然你理解存储器和加法器的功能,那么我就拿这俩来举例。完成一次加法运算,我们需要从存储器里读取两个加数,然后加法器对这两个加数进行加法运算,最后从加法器读取结果。但是电路是由延时的,加法器从读取输入到输出结果之间需要花费一定的时间,如果读取得太早就可能会得到错误的结果,那么输出端该在什么时候去读取加法器的输出?

同步电路的解决方案就是引入时钟,通过设置时钟周期来解决电路延时。如果加法器的最大延时为1ns,我们引入一个0.5Ghz的时钟,那么加法器肯定可以在一个时钟周期内完成运算并输出正确的结果。这样在运算时我们只要在输入数据后等一个时钟周期后再读取结果,就可以保证结果是可靠得了。

时钟的作用就是同步整个电路,只要对每个模块都设定好间隔多少个时钟周期后读取输出,用最小的代价确保能在正确的时刻读取。

对于CPU,最简单的CPU需要包括寄存器、ALU(逻辑运算单元)、总线、时钟和FSM(有限状态机)这些部分。具体到每一个部分除了FSM之外其实都不算难,只要有一定的基础就能完成,但是把它们组合在一起就非常有难度了。我建议还是从基础开始,先学习数字电路基础,有了充分的理解之后再去尝试CPU这种大型电路。

教材的话有很多,比如这个 数字逻辑基础与Verilog设计 (豆瓣)