《你是我的欧拉图》DCLily

4、第 3 章（11～17）

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　　以下为2020.11.25更新
　　11～12 时序逻辑设计A—B
　　PS：忙吐，尽量，抱歉。果然暑期学校还好，这个实在是太累了。能更新到什么程度真的就造化。
　　马上就要考试了，立个flag暴更
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　　在到达若风谷之前，是要经过许多可供戎一练习数字电路的靶场的。那靶场上有许多clk发出灵光，一令一动，许多同级的数字电路弟子正在做同步时序电路的功法。

　　都说修真能让人达到神的状态，是一种人类的唯心主义文学。戎一这次才体验到，原来修真的最终结果，是变成一个应用软件造福广大人类。

　　......

　　原来那些程序员只不过是些引路人罢了，说到底，还是得靠这个世界里的几百个软件级的神仙，支持人类世界的各种业务需求。

　　“时序逻辑和组合逻辑，”戎一回忆了一下自己的记忆，“之前我还是模拟电路级别的时候，好像是不会处理这种环路和竞争关系的吧？”

　　“嗷，”小左回忆了一下，“是的，时序逻辑电路，如果是同步时序电路，那么所有的clk由一颗灵力果所驱动，比较耗能，这个也叫做阻塞。一般异步会比较好一些，可以多用几颗灵力果进行脉冲驱动，这个时候就不会搞always_ff这种。”

　　“那现在，他们在练的是同步时序电路的功法？”

　　“嗯，我看的确如此。”小左点点头，“同步时序电路的有限状态机呢。那边那几个师弟在练习Moore初级，而旁边几个就是Mealy高级了。”

　　“他们好像在搞ATSC？准备使用智能的系统来搞定一个十字路口的交通。”小左看了看四周，“好像很有趣，咱们下去康康。”

　　等到戎一一行人走到那靶场，只见上面苍遒有力的四个大字：

　　安午靶场

　　“这是安先生的地方。”小左正想着，安午师兄便从靶场里出来了。

　　“参见戎少爷。”

　　“啊这是什么话......”戎一一句话还没说出口，就被左零堵住了嘴，并向安先生示好地点头，“师兄，咱们俩现在也恰好是数字电路级，您能否给我们介绍一下现在的情况？”

　　“啊，好的好的。现在他们做的就是一个two-dementional crossing，环境将自动给出车流量，两个交路AB分别设置车流量监控器Ta和Tb。状态S0为A绿B红，状态S1为A红B绿，如果不考虑黄灯的话。”

　　“啊，这个比较适合弄成moore型的有限状态机吧，我看他们也都在做。”

　　“是的，不过其实mealy也没有难到哪里去。”安先生笑了，“然后就是布置灵力果周围的Sin和Sout。由于这个非常简单，所以直接编码，0为S0状态，1为S1状态。”

　　“嗯嗯。”

　　“输出的话，咱们规定输出1为绿灯，输出0为红灯。”

　　“然后我们可以绘制具体表格：”

　　——————
　　S....YA....YB
　　0.....1.......0
　　1.....0.......0
　　——————

　　布尔表达式：
　　YA=非S
　　YB=S

　　“然后我们来设定规则。这个规则就是Ta为1则说明A路车多。如果同为1或0则状态不变。这样我们可以画出整个表格：”

　　——————
　　S....Ta....Tb.....S’
　　0.....X......0......0
　　0.....0......1......1
　　0.....1......1......0
　　1.....0......X......1
　　1.....1......0......0
　　1.....1......1......1
　　——————

　　“这些东西，其实可以直接弄成布尔表达式，如果殿下您得心应手的话。”

　　完了完了，小左捏了一把汗，这是要让戎一现场来弄布尔表达式？

　　“我可以。”戎一想了想，

　　“S`=Tb非(S异或Ta)+S非Ta。”

　　“殿下英明，然后咱们按照这个布尔表达式把他们拆出来放好就可以了。你看这些小兔崽子现在还不会弄，实在不行你用个卡诺图不也就搞定了嘛，接下来我还得去教他们那个啥，可以分解的有限状态机，你说今天的学习任务怎么完成！”安午嘟哝着告辞，

　　“戎少爷若有事，尽管吩咐。”

　　......

　　从靶场退出来后，小左看戎一的眼神明显不一样了，“你不都还记着的吗！还在那边叭叭叭说自己垃圾会露馅。”

　　“我是真的垃圾，刚才那个只不过是我在现实世界的时候，刚好考完这个数电的月考而已......”

　　戎一看着灵力果发出的一个个clk信号，荧光四溅，弟子们拿着剑，正要把一个个元件融合成有限状态机。

　　拔剑。

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　　以下为2020.12.4更新
　　13—14 RLC电路A—B
　　PS：忙吐，尽量，抱歉。果然暑期学校还好，这个实在是太累了。能更新到什么程度真的就造化。
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　　当戎一走出靶场的时候，顿时感觉整个世界清净了。

　　“然后咱们就直接去若风谷叭......”

　　“不行不行我得去看一下那个绿帽电感现在的情况。”

　　“宁是说怀二？他是怀堂主唯一的儿子，你过去就嘲笑他这个？”

　　“啊，我没这个意思。”戎一慌忙解释，“我，只是想去多见一些有趣的灵魂罢了。”

　　“噫......”小左无话可说，“你若是以以前的性子，人家只会觉得你是来找茬的。”

　　“从某种意义上说，还的确是这样......”戎同学想了半天，居然挑不出一点毛病。

　　“但是吧，我觉得这样不是还挺符合我之前的人设嘛，再说了，我过去后人设他自然就会崩掉的。”

　　小左也没有什么什么好回应的，想着我就是个空气就行，到时候戎一死了伤了与我无关。

　　......

　　然而事实总是非常有趣。

　　“戎一哥哥，你总算来了！”远远地见到戎一，只见怀小二带着他那顶绿色穗边的帽子欢腾地跑过来。

　　？？？

　　“我做错了什么你是不是马上就要把我砍了？”戎一显然忽略了它脸上的表情，一脸惶恐地把左零拉在前面挡着。

　　左同学鄙视了一阵子。

　　“戎一少爷请上座。”

　　只见远处的怀叙穿越归来向戎一躬了躬身。

　　诶？！这个事好像有点奇怪。戎一求救一般地望向左零。

　　“天上的云真白呀，真白，白得不像话，太白了，白死了，白啊......”小左表示空气非常清新，直到被小一摔了一下脑袋。

　　“嗷嗷嗷我错了，”小左开始翻找剧本，“好像是你小时候无意间救过怀小二的命，所以他们家对你都特别好。”

　　“啊这，谁说我过来会被活剥生吞？”戎一想了想，“那就承蒙各位好意了。”

　　怀叙心里惊讶，戎少爷每次来的时候都是嚣张跋扈的，咋现在有了礼数？

　　“话说以前的事，每每想起，就难以忘却大人的大恩大德。”怀叙斟满一杯酒，“下午犬子需要找电阻partner了，我们可能要先行一步，不麻烦戎少爷的时间。”

　　“啊？选partner啊，”戎一回忆起之前在河边看到的景象，用眼神和小左交流，“好好玩，想去。”

　　“喂，人家好好选partner你也得参一本？”

　　“咋了，我虽然微机课学得一塌糊涂，但是电路我可以。”

　　“......”小左算是认命了，“其实不麻烦的怀大人，我们也能帮您孩子选选搭档。”

　　“这怎么好意思，”话还没说完，戎一用刚刚在玩有限状态机学会的瞬移拽着怀小二逃走了。

　　......

　　这不是拐|卖儿童？！

　　“好了好了，今天电感电阻双选会开始前，允许我和大家讲几句。”

　　看到这位曾经一发脾气就血流成河的死神，大家非常识趣地闭了嘴，但是小左想着气氛还是热烈些比较好。

　　“咱们选了partner之后，就可以和电容电阻组的人进行组合修炼。”

　　“如果情况是r<2√L/C因为这个电阻的还能很小，因此有很大一部分能量转成了电容的能量，因此反向又放电。大家千万不要烦，这个功法就是需要静心训练。”

　　“嘛，这种东西是需要大家好好理解。r与2√L/C看似随意，实则是元件级的一条非常完美而基本的准则。因为我们可以把两个东西换成1/2rC 与 L/0.5R。大家可以看到，左右两边都变成了RC的时间常数和RL的时间常数。也就是在RLC串联电路中，就直接把电阻劈成两半，分别和电容和电感进行作用。然后我们在进行之后的一系列操作。”

　　“当RC响应大于RL响应时，则非振荡，当小于，则振荡，等于是修真界几乎不可能做到的，也不影响你们晋级，是个临界阻尼。刚刚讲的就是串联的情况。”实际上，戎一也不太清楚自己有没有描述好，只不过按照脑子里想的过了一遍而已。

　　“所以敢问师兄，那么并联的情况是什么样的呢？”怀小二问道。

　　“不用算，先来零输入响应。你就看着这个电路，如果R大，电容放电的电压比较容易从电感的方向走，因此磁能就被存储起来。之后再进行反向充电。”

　　“嗷，我明白了，那R小的话电感能量就会很小了，形不成振荡，衰减，结束。”

　　“是的，因此大家在进行所谓组合练习时，除了判断自身和partner的时间常数外，也必须和另外一组协商好，使用串联功法还是并联功法，以保证振荡炼功的效果。”

　　“受教了！”怀小二想了一下，很快填好了意向表单。

　　“所以，师兄您要不要在我家住几天再走？”

　　“不了不了，”戎一想了想，“我觉得您还是好好待在家里，我还要去若风谷找那边的师兄取经。”

　　“师兄您是要晋升了嘛？”

　　“不......怎么说呢，被迫晋升？”

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　　以下为2020.12.16更新
　　15—17 微体系结构A—C
　　PS：忙吐，尽量，抱歉。果然暑期学校还好，这个实在是太累了。能更新到什么程度真的就造化。
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　　“小一哥哥，我想和你一起去......”

　　“害，总之小二你还是呆在怀叙堂比较好，你的partner不也还没定下来嘛。”

　　“......我觉得我应该自己出去走走了，基本每天都是赖在家里，小时候你就告诉我要到世界的远方看看，看看那里的风土人情，令人怀念。”

　　“那是，但是我希望你在路上能有一个能够终身和你做伴的道侣，懂我的意思吧？等到这次你的partner选完了，我相信时机也会成熟一些。”

　　“......好吧。”他不情愿地点点头，“等我找到了适合的电阻就来找你。”

　　戎一看似微不可查地点点头，缄口不语。

　　......

　　“话说啊，若风谷的那个师兄他最近好像在运转周天，周围能看到大量mips指令符咒，你别被吓到了。”小左打开他的系统导航，观察了一下若风谷周围的形势。

　　“啊这，MIPS是啥。”

　　“......”小左发现这个人难以沟通，观察了一下四周，从空气中抓了一个addi。

　　“你认识这个东西不？”

　　“不认识。”

　　“你是啥时候魂穿过来的，MIPS不知道？那你怎么晋升？”

　　“我是搞UBUNTU的时候传过来的，那个时候我数电都没学完呢。”

　　“害，简直了。我跟你说一下，这个MIPS就是汇编语言的一种。”

　　“然后这些add啊sub啊，我就不管了～实际上MIPS也是属于CISC的。他对操作数有很多精简，寄存器的访问一般都比存储器访问越快，所以规模就要小一些。寄存器的编号对应的用途都是不一样的。有$的实际上都是API的名字。函数参数会通过固定的a0—a3位输出。这个是32位的。”

　　“那你说的16位是在哪里？”

　　“当正常情况下我们只需要这些寄存位来解决这些问题。绝大多数的寄存器变量都很小，如果你要搞大的，还不如去弄存储器。这样你还可以去弄字可寻址存储器单元。”

　　“load word $s0,5($t1)，这个其实弄的是$t6的5个字扔进$s0。这样不是就可以完成这种赋值了么。”

　　“嗷嗷。”

　　“然后汇编语言之后就是机器语言，寄存器操作数，立即数操作数和跳转指令。一条寄存器指令一般包括了OP(6) RS(5) RT(5) RD(5) SHAMT(5) FUNCT(6)。像add $S0，$S1，$S2，他的机器语言都是可以一一对应的。”

　　“然后就是立即数，16位数需要带符号拓展成32位的，像0xA000->0xFFFFA000如果是逻辑操作可以零扩展。其中OP6位，RS和RD
　　5位，imm16位。”

　　“跳转指令的OP6位，addr26位。你看这个paper就是用机器语言写的，你看这种东西其实写下去都很耗内力的。”

　　“......”戎一看了一下从旁边飘过来的一张paper：

　　00000111100000000000
　　00000101000000000011
　　00001000101000000000
　　00110110000100000000
　　00001100100000000001
　　00110101100100000000
　　00011110001100000000
　　00100000000000000100
　　00000000000000000000
　　00111010000100000000
　　00010000100000000001
　　00111001100100000000

　　......

　　“这个好像源码是X86，但是机器码都是一样的，估计不是MIPS师兄写的。”

　　“啊我看着就头大......”

　　戎一继续向若风谷的方向走，前方已经能看到一些灵力涌动，周围似乎还有一些末端的弧光正在耗散。

　　“在MIPS系统也就是咱们宗门的系统中，程序指令一般从0x00400000开始存储，MIPS存储器地址是字节寻址，下一指令存放程序计数器寄存器PC中。如果没有足够的空间，他就会删除文字的，所以，你得好好提升自己的修为懂嘛。”

　　“你还真是站着说话不腰疼，你自己不看看自己适不适合我半斤半两。”

　　......

　　“话说微处理器除了MIPS意外是不是还分三阶段啊？”戎一仔细分辨周围的灵力，觉得境界是有区别的。

　　“是的，同一个体系结构可以有不同的微体系结构实现方案。比如单周期、多周期和流水线。标准的MIPS是单周期，其电路是最容易设计的。流水线是一种并行。”

　　说着说着，戎一看到前面有一枚石子，想也不想直接踢了过去。

　　“砰！”

　　石头碰到了什么结界，直接化为灰烬。

　　“access violation！”

　　“啊这，一个石头就堆栈溢出成这样，这是什么垃圾结界。”戎一想着又拾起一块石头。

　　然后励师兄一脸黑线地走出来。

　　“是谁把我的jal指令给弄没的？”这一声吼的几里外的戎一停住了脚步。

　　......

　　“小左你走在前面。”

　　“自己做的事自己......”小左还没说完就被推到了前面。

　　接下来一刹那，师兄便闪现在他们面前。

　　“行，我干的。”小左看着戎一没出息的样子，想着戎父的嘱托还是硬着头皮回应。

　　“哎呀原来是小左师弟呀，真的是太感谢你了，刚才jal把$ra给刷掉了，差点就把我灵力给吸走了！”

　　小左：“......”

　　......

　　“总之，事情就是这样，父亲希望您能带着我尽快升级到逻辑级，与师兄靠拢。”

　　这个世界的修为等级，从凡人，到元件，到模拟电路，到数字电路，到逻辑，到微体系结构，到体系结构，到操作系统，最后升天至软件。

　　“所以，微体系结构中间我们最需要理解的是微体系结构建立的过程。作为一个微处理器来讲，其核心的元件是PC（CLK是时间基准），当前的PC一定是指向下一条指令。之后进入指令存储器。若为MIPS，其只需要读取一个字节即可。”

　　“寄存器组有三个地址，每一个一共有五位。因此可以决定某一个寄存器进行访问。RD1和RD2，WD是数据存储器的读写。”

　　“单周期处理器是微体系结构里最简单的了。逆向工程就是从机器码到汇编语言，汇编和反汇编而已。”

　　“汇编是一个工程，我们把程序设计成能工作的。为啥最近不讲工匠精神的？因为他们是做逆向工程。”

　　“说实在，就是剽窃嘛，reversely。”

　　“我们现在看到了MIPS，我们也有了很好的实际方式，能够实现单周期处理器，但是，我看不懂。工匠照着同样的东西能做出来，还是工程师能做出一个东西，是很不一样。”

　　“数据存储器和指令存储器是分开的。MIPS存储空间，大容量的数据存储，都会按照一个个单元进行存放。通常来讲，按照处理器的设计要求，它和处理器的字长是有关系的。align 2/3/4，V1 space 133，如果说，正常情况下这个占了133个字节，大概是1067。此后，他就按照1067开始排。”

　　“多周期处理器可以解决时间的问题。对于单周期，启动了一系列的逻辑操作。最慢的指令lw，指定了时钟周期。”

　　“这个运转一个周天等到你操行够了之后，自然就会嫌慢了。”

　　“此外，他还能把指令的执行过程改为多个短周期，时间片，时间脉冲来执行不同的时间操作。这样我们就可以分解lw、ALU运算等等。其处理器只需要一个加法器，也只需要一个存储器来存储指令和数据。”

　　“设计CPU时，我们将体系结构状态器件和存储器，与组合逻辑电路连接起来，设计一条数据路径，再增加非体系结构状态器件，用于保存中间的结果；再涉及控制器环节，在指令执行期间对不同的周期产生不用的命令，从控制器到时序逻辑电路。”

　　“然后就是解决冲突的方法，主要是插入足够多的nop指令。然后是重定向，在数据选择器之间通过另外一种选择器来选择它，增加相应的控制信号。在SrcA的重定向主要是因为forwardAD。阻塞的话，通过禁止流水线寄存器来阻塞某个阶段。流水线一定是顺序执行的，正常情况下就是PC+4，但是你通过早期的分支识别，也可以解决冲突。这个看起来很容易的技术啊。”

　　“哇，这个也太容易了吧。”小左腹诽，转头看了看戎一，已经趴在桌子上睡着了。

　　......

　　“我觉得这样不太行。”小左戳了戳励师兄，“你看着戎一他都学不进去。”

　　“啊，我可以量子波动速读，在睡眠中我就已经学会了。”戎一揉了揉眼睛站起来。

　　嗯，算是维持了人设。

　　毕竟师兄常常看到他们，也得表现得有一定的过渡期。

　　“行吧，”励七想了想，“我带你们去中断和异常区看一下情况，可能你可以更懂这个东西，啊，但这个可能是体系结构的东西了。”

　　......

　　“好的，这边就是异常区。这边可能有软件运行中的错误、错误的指令，也可能是硬件。之前咱们宗派只有中断，但是现在由于中断更适合处理身外之事，而自身修养后来便自立门派，由微体系结构期的弟子组成，叫做异常。”

　　“他们通过自身能力合成了一个异常的寄存器，通过调节体内灵力运行。MIPS类的师兄甚至都把中断也纳入异常的范围之内。”

　　“最常见的中断认为是异常就是system call，此外还有断点、溢出等等，并且有两种单独的状态。”

　　戎一眨了眨眼。

　　“那么，现在高级的微体系结构，呵呵，已经完全不一样了呀。”

　　【END】