组合电路和时序电路的讲解

组合电路和时序电路是计算机原理的基础课，组合电路描述的是单一的函数功能，函数输出只与当前的函数输入相关；时序电路则引入了时间维度，时序电路在通电的情况下，能够保持状态，电路的输出不仅与当前的输入有关，而且与前一时刻的电路状态相关，如我们个人PC中的内存和CPU中的寄存器，均为时序电路。

说了这么多，我们学习的组合电路和时序电路在计算机中又是怎么一回事呢？为了便于理解，下面以一个大家都能接受的C语言程序开始，从上层向下层开始解释。

void main（）{

int a ＝ 3， b ＝ 5;

int sum = a + b;

}

这个例子大家都能明白，main函数要做的事情就是实现两个数的加法操作。这是我们人类的思维方式，但是计算机并不认识，如何让计算机理解呢？于是，我们需要将上面这个程序翻译成机器能理解的模样，这时候就需要借助编译器（如常见的gcc、msc等）将上面的程序翻译成MIPS指令（不同的CPU有不同的指令集，包括X86指令集、MIPS指令集、Sparc指令集等，我们在这里用MIPS指令集，咱们的龙芯也是采用MIPS指令集），如下所示：

#下面的每条汇编代码对应一个二进制

addi $t0， 0， 3 # a = 0+3， a保存在$t0寄存器中， 对应的二进制代码为：0010 00** **** **** **** **** **** ****（这里的星号*表示二进制，这里暂时不关心）

addi $t1， 0， 5 # b = 0+5， b保存在$t1寄存器中

addi $t2， $t1， $t0 # sum ＝ a ＋ b， sum保存在$t2寄存器中

到这里，大家一定还在疑惑，不是说要翻译成二进制代码吗？怎么是MIPS汇编语言？对，就是汇编语言，这个汇编语言中的每一条指令就对应一条二进制代码，汇编的方式更容易让人理解。

现在我们得到了计算机可以理解的MIPS指令（可以想象成可执行程序）了，接下来的问题是如何执行MIPS指令。

要执行程序，首先必须将可执行程序文件（从外设）加载到内存。可执行文件加载到内存时，操作系统会为每个可执行程序在内存中分配四个区：

1 代码区。也就是前面的到的汇编代码所对应的二进制码

2 全局数据区。全局变量，静态变量放在这个区

3 堆区。表示在程序执行过程中，动态申请的空间在这个区，如C语言中的malloc， free操作均是针对此区中的对象执行申请或释放操作

4 栈区。函数运行时，局部变量的保存区域。

我们重点关注代码区和栈区，初始时，其分布如下图所示：

代码区-1.png

其中PC（Program Counter）是程序计数器（是CPU中的一个寄存器，具有数据存储功能），即用来指示下一个即将执行的指令的地址，本例中，进入main函数后，即将执行的第一条指令是a = 3，其地址为：0X FF FF FF 00， 因此PC指向其对应的汇编代码的地址。

CPU根据PC的的值，从指定地址0X FF FF FF 00处获取指令，然后解析指令，并执行指令（即执行a＝3）。

当a = 0执行完毕后，PC执行操作：PC ＝ PC ＋ 4，PC指向0X FF FF FF 04，即b = 5的指令的地址。此时，栈区的状态为：

栈区-1.png

接着，CPU根据PC的的值，从指定地址0X FF FF FF 04处获取指令，然后解析指令，并执行指令（即执行b＝5）。当b＝5执行完毕后，PC执行操作：PC ＝ PC ＋ 4，PC指向0X FF FF FF 08，即sum＝a＋b的指令的地址。此时，栈区的状态为：

栈区-2.png

然后，CPU根据PC的的值，从指定地址0X FF FF FF 08处获取指令，然后解析指令，并执行指令（即执行sum＝a＋b）。当sum＝a＋b执行完毕后，PC执行操作：PC ＝ PC ＋ 4，PC指向0X FF FF FF 12（因为，指令已经执行完毕，这里应该提示要从main函数返回）。此时，栈区的状态为：

栈区-3.png

至此为止，main函数内部的流程基本上陈述完了（关于函数间调用，相对复杂，计算机组成中会详细讲解），但如何实现这些步骤呢，其中的关键问题包括如下：

问题：

1、知道内存地址，如何定位到那个地址？？？答案：地址译码器

2、获取到a＝3对应的指令后，如何知道是做a=0+3的操作？？？答案：解析指令，指令译码器

3、PC寄存器如何保存值？如何做加4操作？答案：计数器（寄存器讲解）