一、引子
上一講，我們講解了時鍾信號是怎么實現的，以及怎么利用這個時鍾信號，來控制數據的讀寫，可以使得我們能把需要的數據“存儲”下來。那么，這一講，我們要讓計算機“自動”跑起來。
通過一個時鍾信號，我們可以實現計數器，這個會成為我們的PC寄存器。然后，我們還需要一個能夠幫我們在內存里面尋找指定數據地址的譯碼器，以及解析讀取到的機器指令的譯碼器。
這樣，我們就能把所有學習到的硬件組件串聯起來，變成一個CPU，實現我們在計算機指令的執行部分的運行步驟。
二、PC寄存器所需要的計數器
我們常說的PC寄存器，還有個名字叫程序計數器。下面我們就來看看，它為什么叫作程序計數器。
有了時鍾信號，我們可以提供定時的輸入；有了D型觸發器，我們可以在時鍾信號控制的時間點寫入數據。我們把這兩個功能組合起來，就可以實現一個自動的計數器了。
加法器的兩個輸入，一個始終設置成1，另外一個來自於一個D型觸發器A。我們把加法器的輸出結果，寫到這個D型觸發器A里面。於是，D型觸發器里面的數據就會
在固定的時鍾信號為1的時候更新一次。
這樣，我們就有了一個每過一個時鍾周期，就能固定自增1的自動計數器了。這個自動計數器，可以拿來當我們的PC寄存器。事實上，PC寄存器的這個PC，
英文就是Program Counter，也就是 程序計數器的意思。
每次自增之后，我們可以去對應的D型觸發器里面取值，這也是我們下一條需要運行指令的地址。前面第5講我們講過，
同一個程序的指令應該要順序地存放在內存里面。這里就和前面對應上了，順序地存放指令，就是為了讓我們通過程序計數器就能定時地不斷執行新指令。
加法計數、內存取值，乃至后面的命令執行，最終其實都是由我們一開始講的時鍾信號，來控制執行時間點和先后順序的，這也是我們需要時序電路最核心的原因。
在最簡單的情況下，我們需要讓每一條指令，從程序計數，到獲取指令、執行指令，都在一個時鍾周期內完成。如果PC寄存器自增地太快，程序就會出錯。
因為前一次的運算結果還沒有寫回到對應的寄存器里面的時候，后面一條指令已經開始讀取里面的數據來做下一次計算了。這個時候，如果我們的指令使用同樣的寄
存器，前一條指令的計算就會沒有效果，計算結果就錯了。
在這種設計下，我們需要在一個時鍾周期里，確保執行完一條最復雜的CPU指令，也就是耗時最長的一條CPU指令。這樣的CPU設計，我們稱之為 單指令周期處理器（Single Cycle Processor）。
很顯然，這樣的設計有點兒浪費。因為即便只調用一條非常簡單的指令，我們也需要等待整個時鍾周期的時間走完，才能執行下一條指令。在后面章節里我們會講到，通過流水線技術進行性能優化，可以減少需要等待的時間，這里我們暫且說到這里。
三、讀寫數據所需要的譯碼器
現在，我們的數據能夠存儲在D型觸發器里了。如果我們把很多個D型觸發器放在一起，就可以形成一塊很大的存儲空間，甚至可以當成一塊內存來用。像我現在手頭這台電腦，
有16G內存。那我們怎么才能知道，寫入和讀取的數據，是在這么大的內存的哪幾個比特呢？
於是，我們就需要有一個電路，來完成“尋址”的工作。這個“尋址”電路，就是我們接下來要講的譯碼器。
在現在實際使用的計算機里面，內存所使用的DRAM，並不是通過上面的D型觸發器來實現的，而是使用了一種CMOS芯片來實現的。不過，這並不影響我們從基礎原理方面來理解譯碼器。
在這里，我們還是可以把內存芯片，當成是很多個連在一起的D型觸發器來實現的。
如果把“尋址”這件事情退化到最簡單的情況，就是在兩個地址中，去選擇一個地址。這樣的電路，我們叫作 2-1選擇器。我把它的電路實現畫在了這里。
我們通過一個反相器、兩個與門和一個或門，就可以實現一個2-1選擇器。通過控制反相器的輸入是0還是1，能夠決定對應的輸出信號，是和地址A，還是地址B的輸入信號一致。
一個反向器只能有0和1這樣兩個狀態，所以我們只能從兩個地址中選擇一個。如果輸入的信號有三個不同的開關，我們就能從$2^3$，也就是8個地址中選擇一個了。這樣的電路，我們就叫 3-8譯碼器。現代的計算機，如果CPU是64位的，就意味着我們的尋址空間也是$2^{64}$，那么我們就需要一個有64個開關的譯碼器。
所以說，其實譯碼器的本質，就是從輸入的多個位的信號中，根據一定的開關和電路組合，選擇出自己想要的信號。除了能夠進行“尋址”之外，我們還可以把對應的需要運行的指令碼，同樣通過譯碼器，找出我們
期望執行的指令，也就是在之前我們講到過的opcode，以及后面對應的操作數或者寄存器地址。只是，這樣的“譯碼器”，比起2-1選擇器和3-8譯碼器，要復雜的多。
四、建立數據通路，構造一個最簡單的CPU
1、怎么把這些零件組合起來
D觸發器、自動計數以及譯碼器，再加上一個我們之前說過的ALU，我們就湊齊了一個拼裝一個CPU必須要的零件了。下面，我們就來看一看，怎么把這些零件組合起來，才能實現指令執行和算術邏輯計算的CPU。
1. 首先，我們有一個自動計數器。這個自動計數器會隨着時鍾主頻不斷地自增，來作為我們的PC寄存器。
2. 在這個自動計數器的后面，我們連上一個譯碼器。譯碼器還要同時連着我們通過大量的D觸發器組成的內存。
3. 自動計數器會隨着時鍾主頻不斷自增，從譯碼器當中，找到對應的計數器所表示的內存地址，然后讀取出里面的CPU指令。
4. 讀取出來的CPU指令會通過我們的CPU時鍾的控制，寫入到一個由D觸發器組成的寄存器，也就是指令寄存器當中。
5. 在指令寄存器后面，我們可以再跟一個譯碼器。這個譯碼器不再是用來尋址的了，而是把我們拿到的指令，解析成opcode和對應的操作數。
6. 當我們拿到對應的opcode和操作數，對應的輸出線路就要連接ALU，開始進行各種算術和邏輯運算。對應的計算結果，則會再寫回到D觸發器組成的寄存器或者內存當中。
這樣的一個完整的通路，也就完成了我們的CPU的一條指令的執行過程。在這個過程中，你會發現這樣幾個有意思的問題。
2、第一個有意思的問題
是我們之前在第6講講過的程序跳轉所使用的條件碼寄存器。那時，講計算機的指令執行的時候，我們說高級語言中的if…else，其實是變成了一條cmp指令和一條jmp指令。
cmp指令是在進行對應的比較，比較的結果會更新到條件碼寄存器當中。jmp指令則是根據條件碼寄存器當中的標志位，來決定是否進行跳轉以及跳轉到什么地址。
不知道你當時看到這個知識點的時候，有沒有一些疑惑，為什么我們的if…else會變成這樣兩條指令，而不是設計成一個復雜的電路，變成一條指令？到這里，我們就可以解釋了。
這樣分成兩個指令實現，完全匹配好了我們在電路層面，“譯碼-執行-更新寄存器“這樣的步驟。
cmp指令的執行結果放到了條件碼寄存器里面，我們的條件跳轉指令也是在ALU層面執行的，而不是在控制器里面執行的。這樣的實現方式在電路層面非常直觀，我們不需要一個非常復雜的電路，
就能實現if…else的功能。
3、第二個有意思的問題
是關於我們在第17講里講到的指令周期、CPU周期和時鍾周期的差異。在上面的抽象的邏輯模型中，你很容易發現，我們執行一條指令，其實可以不放在一個時鍾周期里面，
可以直接拆分到多個時鍾周期。
我們可以在一個時鍾周期里面，去自增PC寄存器的值，也就是指令對應的內存地址。然后，我們要根據這個地址從D觸發器里面讀取指令，這個還是可以在剛才那個時鍾周期內。
但是對應的指令寫入到指令寄存器，我們可以放在一個新的時鍾周期里面。指令譯碼給到ALU之后的計算結果，要寫回到寄存器，又可以放到另一個新的時鍾周期。所以，執行一條計算機指令，
其實可以拆分到很多個時鍾周期，而不是必須使用單指令周期處理器的設計。
因為從內存里面讀取指令時間很長，所以如果使用單指令周期處理器，就意味着我們的指令都要去等待一些慢速的操作。這些不同指令執行速度的差異，也正是計算機指令有指令周期、
CPU周期和時鍾周期之分的原因。因此，現代我們優化CPU的性能時，用的CPU都不是單指令周期處理器，而是通過流水線、分支預測等技術，來實現在一個周期里同時執行多個指令。
五、總結延伸
好了，今天我們講完了，怎么通過連接不同功能的電路，實現出一個完整的CPU。
我們可以通過自動計數器的電路，來實現一個PC寄存器，不斷生成下一條要執行的計算機指令的內存地址。然后通過譯碼器，從內存里面讀出對應的指令，
寫入到D觸發器實現的指令寄存器中。再通過另外一個譯碼器，把它解析成我們需要執行的指令和操作數的地址。這些電路，組成了我們計算機五大組成部分里面的控制器。
我們把opcode和對應的操作數，發送給ALU進行計算，得到計算結果，再寫回到寄存器以及內存里面來，這個就是我們計算機五大組成部分里面的運算器。
我們的時鍾信號，則提供了協調這樣一條條指令的執行時間和先后順序的機制。同樣的，這也帶來了一個挑戰，那就是單指令周期處理器去執行一條指令的時間太長了。而這個挑戰，
也是我們接下來的幾講里要解答的問題。