从本篇起，我们将自己实现一个 Y86 处理器。

首先看一下为了实现 Y86 处理器，我们都需要哪些部件。

我们已经知道，CPU 会逐条地执行机器指令。那么 CPU 是如何判断正在执行的指令是否执行完毕，继而可以开始执行下一条指令的呢？

答案是：CPU 并不对此进行判断。

它采用固定的时长来执行每一条指令，CPU 能够保证各种指令均能在该时长内被执行完毕。

所以，每隔固定的时长 CPU 便开始执行下一条指令。

时钟

由于 CPU 采用了上述的机制执行指令，自然需要一个定时器，间隔固定时长周期性地通知 CPU 执行下一条指令。这个定时器被称为 时钟。

一般采用矩形波状的电位变化来实现时钟。每当时钟变成高电位时，PC（程序计数器） 应该更新指令地址，继而执行下一条指令。

组合逻辑电路

• 有的指令在执行时，需要对数据进行算数或逻辑运算。

  如 IA32 中的 addl、orl 等指令。

• 有的指令在执行时，需要将数据按照某种规则进行筛选。

  如在下面这段指令的第一句指令，CPU 即要从 0x8048291 和 0x8048296 中筛选出一个值。

  804828f: je 8048296
  8048291: call 80482b4
  

以上两种需求均可以概括为：将输入数据按照某种规则处理后输出结果。

这两种需求，在 CPU 中均通过组合逻辑电路（简称组合电路）予以实现。

组合电路只是简单地根据输入信号和某种规则进行信号输出，不存储任何信息。

组合电路会在后文进一步介绍。

存储器

• 有的指令在执行时，需要根据地址从寄存器文件或存储器中获取数据。

  这种操作和 组合逻辑电路 一节中所描述的需求很相近，即 将输入数据按照某种规则处理后输出结果。

  即，从存储器中读取数据时，存储器的表现就像是一个组合电路。

• 有的指令在执行完毕时，需要将结果保存在寄存器或存储器中。

  当时钟信号变为高电位时，当前指令已经执行完毕，此时即可将数据写入到存储器中。

  即，时钟信号控制着存储器的写入。

下面来看我们在 Y86 处理器中使用的两类存储器：

时钟寄存器和随机访问存储器。

时钟寄存器（简称寄存器）

时钟寄存器只存储单个位或字。

1. 大多数时候，寄存器都保持在稳定状态（用 x 表示），产生的输出等于它保存的值。

   这是它的读状态，无论输入是什么，它都只会输出自身保存的值。

2. 当时钟变成高电位时，输入值才被加载到寄存器中，并输出该值。

在 Y86 处理器中，会使用时钟寄存器来保存程序计数器（PC）、条件代码（CC）和程序状态（Stat）。

随机访问存储器（简称存储器）

随机访问存储器存储多个字，用地址来选择读或写哪个字。

比如虚拟存储器系统和寄存器文件。

下面来看一个典型的寄存器文件：

它有两个读端口（A 和 B），和一个写端口（W）。

为什么读端口有两个而写端口只有一个呢？

看一下之前的 IA32 指令可以发现：任何指令，最多只会读取两个寄存器中的值，最多只会向一个寄存器中写入。

Y86 将要制定的指令与 IA32 相类似。

下面来看另外一个存储程序数据的存储器：

这个存储器只有一个地址接口。

这意味着在一个时钟周期内，要么进行读操作，要么进行写操作。

在 Y86 处理器中，使用随机访问存储器包括寄存器文件、指令存储器、程序数据存储器等。

小结

考察一个时钟周期的实质：

当时钟电压上升——即一个新的时钟周期开始后，“源头时钟寄存器”的输出（可能）会发生改变；

这里所说的“源头时钟寄存器”可初步认为是 PC，后文将会看到还有其他“源头”寄存器。

由此，会引发一系列的改变：

组合电路的输出会随着输入的改变而改变，存储器会因为读取地址的改变而改变输出值。

由源头时钟寄存器输出改变而引发的变动在 CPU 中不断向前传递。最终，CPU 中各个部件的输入输出都会稳定下来。

这时，CPU 就纯粹是在等待下一个时钟周期的到来了。