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——《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》整理和總結(jié) 究竟是如何設(shè)計(jì)的電路，具有計(jì)算和控制的智力？
這一點(diǎn)也不高深。本系列文章從初中學(xué)的最簡單的電路圖說起，看看能不能從最初的有一個繼電器的電路，畫到一個簡單的CPU。電路圖用multisim12.0繪制，這樣就可以看到效果了。
（注：雖然現(xiàn)代計(jì)算機(jī)是用半導(dǎo)體材料制作芯片的，但是電路原理和繼電器材料沒有不同。本人愚鈍，只理解了繼電器，還沒有研究電子管、晶體管這些器件的工作原理。而繼電器原理簡單，用作講解數(shù)字電路原理再好不過。）
PS：需要本文的multisim12電路圖文件的話，麻煩點(diǎn)個贊并留下你的Email~
從電池、開關(guān)和繼電器開始
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上圖左上角是一個很普通的電路，由電池、開關(guān)電流表和燈泡組成。這個是初中物理學(xué)過的。
上圖右上角是對左上角電路的簡單變形，用VCC代替了電池，用接地符號實(shí)現(xiàn)了回路。相當(dāng)于把電池拆開來畫了。電路功能是一樣的。本文此后的電路圖一般都采用VCC和接地表示電源。因?yàn)槟銜l(fā)現(xiàn)只有這樣的畫法能夠讓我們方便理解之后的電路圖。
然后往下看，第三個電路圖，那個圈圈里圈著個K的藍(lán)色的東西，表示的是繼電器。當(dāng)繼電器左側(cè)有電流通過時，右側(cè)的電路就斷開；反之則聯(lián)通。（對應(yīng)地，也有那種左側(cè)有電流通過時，右側(cè)的電路就聯(lián)通；反之則斷開的繼電器，稍后會用到）這個電路想讓你知道的是，可以用繼電器實(shí)現(xiàn)這樣的功能：控制左側(cè)的電路的通斷，即可改變右側(cè)電路的通斷。換個方式說，就是左側(cè)的電路通斷情況決定了右側(cè)的電路的通斷情況。再往抽象了說，就是左側(cè)電路代表了"輸入"（Input）這個概念，右側(cè)電路代表了"輸出"（Output）這個概念。繼電器則代表了"計(jì)算"（或者"算法"、"處理"等）（CPU）這個概念。硬件就是用這種電器設(shè)備的固有物理性質(zhì)提供了最初的計(jì)算能力。
再往下看第四個電路圖，它和第三個的區(qū)別就在于用VCC和接地符號代替了電池。初次看電路，我們有必要經(jīng)歷一次從電池到VCC和接地符號的過渡。以后的電路圖，我們將直接使用VCC和接地符號，請務(wù)必在此處適應(yīng)這樣的畫法。
然后是最下邊這個電路。和第四個電路相比，它用一個"非門"的符號代替了"繼電器、右側(cè)電路電源和繼電器的接地"這三個符號。也就是說一個"非門"實(shí)際上就是"繼電器、右側(cè)電路電源和繼電器的接地"這三個東西的組合，而且畫的時候省略了電源和接地符號。
之前在學(xué)校里學(xué)數(shù)字電路，我就是想不明白邏輯門的電源在哪兒，整個電路的通路在哪兒，所以一直學(xué)不好�，F(xiàn)在有個這個電路圖，感覺一切豁然開朗。
用繼電器做個與門剛剛我們用繼電器做出了"非門"�？梢钥吹街灰靡粋�繼電器就可以了。與門的電路如下圖所示。
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與門由兩個繼電器（這兩個繼電器用的都是跟做非門的繼電器通斷情形相反的那種）構(gòu)成，只有當(dāng)兩個繼電器左側(cè)都通電時，右側(cè)電路才能聯(lián)通。這樣就實(shí)現(xiàn)了"與"的功能。"與門"的符號是一個躺著封口的U形。
注：本文里我做的電路圖片都是GIF格式的，你可以在瀏覽器里看到隨著開關(guān)的開閉，輸入和輸出電路上的燈泡是如何變化的。每個圖上都有（bitzhuwei*cnblogs*com）標(biāo)識我的博客地址，不過每個GIF圖的最后一幀都去掉了這個標(biāo)識。這樣，看到一幀沒有標(biāo)識的時候，就知道下一幀將是GIF圖的第一幀了。
用繼電器做個或門"非門"、"與門"做出來了，"或門"也就不難理解了，直接上圖大家體會吧。（導(dǎo)線交叉的地方，如果有個紅點(diǎn)，表示是聯(lián)通的，否則就是互不相干的）"或門"的符號像一個子彈。
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用繼電器做個異或門"異或門"的功能是：左側(cè)的兩個輸入電路一個聯(lián)通另一個不聯(lián)通時，右側(cè)電路聯(lián)通；否則右側(cè)電路不聯(lián)通。這次先畫符號，大家可以先自己嘗試用繼電器畫"異或門"，鍛煉一下思維，然后再向下看答案。
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答案揭曉！"異或門"的實(shí)現(xiàn)如下圖所示。乍看很復(fù)雜，其實(shí)是有邏輯的。最右邊的兩個繼電器其實(shí)是一個"或門"，最左邊兩個繼電器是兩個"非門"，中間兩上兩下共四個繼電器，是兩個"與門"。這樣就好理解了。AB兩個輸入電路為A通、B不通的時候，整個"異或門"會通過下方的路線使燈泡亮；若A不通、B通，則會通過上方的線路使燈泡亮。其他情況燈泡都不會亮。
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做一些看起來可用的東西與或非異或邏輯門電路雖然重要，卻離構(gòu)造CPU相距較遠(yuǎn)，做出來似乎也沒什么成就感。那么我們用這些過于基礎(chǔ)的器件，做一些有用的東西吧！
小小約定為了表達(dá)方便，我們約定一下，邏輯門電路的輸入（輸出）線上有電流的時候，我們說輸入為1（輸出為1），否則就說輸入為0（輸出為0）。
振蕩器振蕩器能夠不斷地輸出0、1、0、1、0、1、0、1……這樣的信號。這種東西雖然一時說不上有什么用，不過一定是有用到的時候的。振蕩器做起來也簡單得離譜�？聪聢D所示電路。
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把非門的輸出端連到輸入端上。當(dāng)輸出為1時，輸入也就成了1，那么輸出就得變成0；然后輸入也跟著變成0，這樣輸出又變回了1。循環(huán)翻轉(zhuǎn)無休無止。振蕩器能翻轉(zhuǎn)多快，就看繼電器的反應(yīng)有多快了。（現(xiàn)代計(jì)算機(jī)用晶體管代替了繼電器，晶體管比繼電器翻轉(zhuǎn)速度快得多，所以能夠得到的頻率更高，計(jì)算機(jī)的速度更快。而且晶體管比繼電器省電）話說multisim12仿真的翻轉(zhuǎn)速度也夠可以的，本人截圖也費(fèi)了不少勁。
順便給一個用繼電器做振蕩器的實(shí)際應(yīng)用的例子：上學(xué)的時候上下課的鈴聲就是用繼電器做的振蕩器完成的。0101信號用錘子敲打鐵盔表達(dá)了出來。
加法器剛剛約定了，用1和0表示電路的通斷。電路只有通斷這兩種狀態(tài)，所以計(jì)算機(jī)只用0和1來表示數(shù)，這就是二進(jìn)制啊。關(guān)于二進(jìn)制和十進(jìn)制的內(nèi)容別人寫得太多了，我就不提啦。要計(jì)算兩個多位二進(jìn)制數(shù)的和，可以分別計(jì)算各個數(shù)位上的結(jié)果，而各個數(shù)位的計(jì)算方法又是相同的，即"被加數(shù)+加數(shù)=>和的值+進(jìn)位的值"。這用邏輯門表示如下圖。
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A和B表示加數(shù)和被加數(shù)，C表示前一位計(jì)算的進(jìn)位的值，C1燈泡表示本次計(jì)算的進(jìn)位的值，S1燈泡表示本次計(jì)算的和的值。我找了半天，也沒在multisim12里找到一位二進(jìn)制數(shù)的加法器件的符號，大家看這個圖就可以了。
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要計(jì)算多位數(shù)，把單位數(shù)加法器首尾相連就可以了，如下圖所示。這兩張圖是從《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》中拿來的。如果侵權(quán)，請告訴我，不然我就偷個懶不自己畫啦。
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寄存器學(xué)匯編的時候聽過這個東西，"寄存"這個詞讓我感覺寄人籬下可憐巴巴的。寄存器的功能是把數(shù)據(jù)（約定里說的0和1，實(shí)際就是電路的通斷狀態(tài)）保存下來，以后還可以取出來用。寄存器這東西比之前的器件都復(fù)雜，需要一步一步來做。
R-S觸發(fā)器先看下面這個電路，這是各種有存儲功能的器件的基礎(chǔ)。
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上圖展示的是在R和S開關(guān)都斷開的情況下啟動電路得到的結(jié)果�！洞┰接�(jì)算機(jī)的迷霧》里說這種情況下，哪個燈泡亮是不一定的，就看哪個邏輯門轉(zhuǎn)的快了。不過我用multisim12仿真的時候，兩個燈泡是在忽亮忽滅不停地閃。這可以說是非正常人類使用R-S觸發(fā)器的情況。下面再看看正常人類使用R-S觸發(fā)器的情況。
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R-S觸發(fā)器的R是Reset，意思是把Q燈泡重置為0，S是Set，意思是把Q燈泡置為1�？梢钥吹剑婚]合S，則Q亮NQ不亮；只閉合R，則Q不亮NQ亮；同時閉合RS，則Q和NQ都不亮；同時斷開RS，則Q和NQ保持剛才的狀態(tài)不變。
D觸發(fā)器既然要保存數(shù)據(jù)，我們就要求只在希望保存某個數(shù)據(jù)的時候存進(jìn)去，否則就不理他。所以我們給R-S觸發(fā)器加一個新的輸入作為控制端，只有控制端為1的時候才能保存新來的數(shù)據(jù)。這里也把RS端合并為一個D端，用一個非門實(shí)現(xiàn)了只能使R和S有且只有一個開關(guān)是閉合的（即要么Q燈泡變?yōu)?要么Q燈泡變?yōu)?）。
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D觸發(fā)器的符號我也沒在multisim里找到，大家看這個吧。
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上升沿D觸發(fā)器我們只希望在某一瞬間把數(shù)據(jù)存起來，而不是像D觸發(fā)器那樣，控制端為1的整個時間端都會保存新數(shù)據(jù)。（這樣最安全）于是我們在D觸發(fā)器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了上升沿D觸發(fā)器。這個觸發(fā)器只在控制端從0變?yōu)?的瞬間存儲新數(shù)據(jù)。是不是很奇妙的設(shè)計(jì)？
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上升沿D觸發(fā)器使用了兩個D觸發(fā)器，再加一個非門，就OK了。平時，我們把要存儲的數(shù)據(jù)（D開關(guān)）放好。然后，當(dāng)控制端CP為斷開時，圖中上面那個D觸發(fā)器是能夠存數(shù)據(jù)的，但是下面那個存不了。就是說新數(shù)據(jù)已經(jīng)到了兩個D觸發(fā)器之間的導(dǎo)線上。在控制端CP閉合的瞬間，上面的D觸發(fā)器無法再存新數(shù)據(jù)了，而下面的D觸發(fā)器可以存新數(shù)據(jù)了，那么它存的是哪個新數(shù)據(jù)？只能是剛剛在兩個D觸發(fā)器之間的導(dǎo)線上的數(shù)據(jù)了。這個瞬間之后，新數(shù)據(jù)無法通過上面的Ｄ觸發(fā)器，自然也就無法保存了。
這次我終于在multisim12里找到了上升沿D觸發(fā)器的符號。
乒乓觸發(fā)器這是個有點(diǎn)類似振蕩器的器件。兩者的區(qū)別在于，振蕩器是自動地改變輸出，乒乓觸發(fā)器是在輸入一個上升沿的時候改變輸出。電路圖如下所示。
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可以看出，乒乓觸發(fā)器其實(shí)就是把上升沿D觸發(fā)器的非Q輸出端接到了輸入端。很顯然每次存的新數(shù)據(jù)總是和輸出信號相反。
乒乓觸發(fā)器可以用來做計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器有這樣的功能：每收到一個上升沿的信號，就增加1。例如下圖所示的能統(tǒng)計(jì)二進(jìn)制的00000到11111（即0到31）這32個數(shù)。計(jì)數(shù)器的每一位計(jì)數(shù)器件都是一個乒乓觸發(fā)器。燈泡亮表示1，燈泡滅表示0。
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走馬燈利用上升沿D觸發(fā)器還可以做"走馬燈"。走馬燈是每次都讓前面一個燈泡亮的設(shè)備，最后一個燈泡亮過之后，又從第一個燈泡開始亮，循環(huán)往復(fù)。下圖所示電路就是一個有5個燈泡循環(huán)走馬的走馬燈。為了在電路剛接通的時候讓第一個燈亮起來，我加了兩個開關(guān)S1和S2，大家可以分析一下怎么用S1和S2。這有助于加深體會上升沿D觸發(fā)器的功能，并加速對更復(fù)雜器件的理解。
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寄存器終于到這個小玩意了！
能保存5位二進(jìn)制數(shù)的寄存器如下圖所示。其實(shí)就是5個上升沿D觸發(fā)器并列起來而已。
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想保存數(shù)據(jù)的時候，調(diào)整好D0、D1、D2、D3、D4五個開關(guān)（實(shí)際應(yīng)用的時候就可能是其他電路的輸出導(dǎo)線了），然后斷開再閉合一下控制端的開關(guān)S5即可，數(shù)據(jù)就保存到了5個上升沿D觸發(fā)器的Q端。
我這里只畫了保存5位數(shù)的寄存器，是因?yàn)樵佼嬀吞罅�，在word里圖就看不清楚了。我們知道現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的寄存器已經(jīng)到32位或者64位了。那就是有32或64個并列的上升沿D觸發(fā)器組成一個寄存器。我們也看到了一個上升沿D觸發(fā)器需要幾十個繼電器（晶體管），那么一個寄存器就需要上千個繼電器（晶體管）了。而CPU里包含的寄存器、加法器等運(yùn)算器還有各種控制器，其包含的繼電器（晶體管）數(shù)目上百萬也就很好理解了。內(nèi)存條里的內(nèi)存也是用上升沿D觸發(fā)器和一個門電路組成存儲一位（一個bit，8個bit是一個字節(jié)）的存儲結(jié)構(gòu)的，其包含的繼電器（晶體管）數(shù)目可想而知有多少。
中場休息到這里，做CPU需要的基礎(chǔ)器件就差不多全了。不過再寫下去就太長了，不利于理解和記憶。因此暫且中場休息，下一篇再繼續(xù)介紹如何構(gòu)造一個簡單的CPU。
前面介紹的各自器件，可以用下表描述其繼承關(guān)系。（索性把下一篇文章要介紹的器件也列出來了）
繼電器
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| 非門電路
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| 與門電路
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| 或門電路
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| 異或門電路
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| 振蕩器
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| 加法器
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| 寄存器
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| R-S
| D
| D↑
| 乒乓
| 計(jì)數(shù)器
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| 走馬燈
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| 寄存器
| 多個數(shù)的加法器
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| 存儲器
| 多bit存儲器
| 多字存儲器
| 有地址譯碼器的存儲器
| 控制器
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| 手動
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| 半自動
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| 全自動
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自言自語自大學(xué)始，學(xué)軟件工程至今已有7年。一共找到這么幾本好書：《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》、《Orange'S OS：一個操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)》、《CLR via C#》。
讀《穿》就是為了弄明白一個問題：為什么計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算？《穿》在下面這張圖中讓我明白了我一直想不明白的問題。
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讀《Orange》也是為了弄明白一個問題：進(jìn)程到底是什么？
讀《CLR via C#》還是為了弄明白一個問題：.NET虛擬機(jī)里都有什么？
想知道的東西還有很多，抓緊一切機(jī)會去求索~
上一篇已經(jīng)從電池、開關(guān)、燈泡和繼電器開始，畫出了設(shè)計(jì)CPU所需的基本器件。這些器件將成為設(shè)計(jì)CPU的磚瓦木料。這一篇就用這些基本器件做一個CPU的雛形。
本篇所需基礎(chǔ)器件
傳輸門下圖所示的傳輸門的作用是：當(dāng)左邊的"~1G"端輸入為0時，左側(cè)的1A4、1A3、1A2、1A1會直接傳輸?shù)接覀?cè)對應(yīng)的1Y*，就像一條線直接從1A*連接到1Y*一樣；當(dāng)左邊的"~1G"端輸入為1時，左側(cè)的1A4、1A3、1A2、1A1都不能傳輸?shù)接覀?cè)對應(yīng)的1Y*，就像從1A*到1Y*的連線被剪斷了一樣。
注：本文里我做的電路圖片都是GIF格式的，你可以在瀏覽器里看到隨著開關(guān)的開閉，輸入和輸出電路上的燈泡是如何變化的。每個圖上都有（bitzhuwei*cnblogs*com）標(biāo)識我的博客地址，不過每個GIF圖的最后一幀都去掉了這個標(biāo)識。這樣，看到一幀沒有標(biāo)識的時候，就知道下一幀將是GIF圖的第一幀了。
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傳輸門的原理很簡單，就是在每個1A*到1Y*之間的連線上放個繼電器而已，如下圖所示。（取自《穿》）
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寄存器在上一篇已經(jīng)說明了寄存器的原理，這里僅僅是為了說明"74LS194"這個帶有各種無聊管腳的四位寄存器的用法。將"~CLR"、"S1"和"S0"置為1，"SR"和"SL"置為0，然后，"74LS194"就是一個簡單的四位寄存器了。（本人在multisim12.0里只找到了這個靠譜的四位寄存器，湊合用吧。）
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數(shù)值顯示器為了更直觀地看到CPU的運(yùn)算結(jié)果，我們將使用"DCD_HEX"這個東西。它能夠把輸入的"0101"顯示為"5"，把"1010"顯示為"A"。
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本文還要用一個四位的加法器，直接在下面這個簡陋的CPU里看就好了，不再單獨(dú)展示。
一個簡陋的CPU現(xiàn)在一切就緒，可以開始設(shè)計(jì)CPU了！
CPU包括運(yùn)算器和控制器兩部分。我們首先做出運(yùn)算器，然后逐步實(shí)現(xiàn)控制器，最后感受一下用機(jī)器語言編程的過程。本文實(shí)現(xiàn)的CPU雖然功能及其簡陋，但是能夠傳達(dá)出當(dāng)前真實(shí)CPU的原理。
運(yùn)算器和手動控制器現(xiàn)在我們要做的這個CPU，字長是4位，只能做兩個數(shù)的加法。實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算器和手動版的控制器的CPU如下圖所示。我們把這個版本稱為version1的CPU。
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上圖中，"Add"是加法器，能執(zhí)行兩個4位數(shù)的加法運(yùn)算。"RA"和"TR"是寄存器，"GAA"和"GBA"是傳輸門。"4""3""2""1"用來準(zhǔn)備需要相加的數(shù)據(jù)（0到15），"KTR""KRA""KGA""KGB"是用來控制傳輸門通斷和寄存器脈沖的開關(guān)。
在上圖所示的GIF動畫中，顯示了"5+1+2+4"這個過程。這個過程可以分為4個步驟：①加載一個數(shù)值（Load）；②加上一個數(shù)值（Add）；③加上一個數(shù)值（Add）；④加上一個數(shù)值（Add）。具體來說，每一個步驟要做的事情是：
指令
| 內(nèi)容
| 加載一個數(shù)(Load)
| 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)(0101); KGB↓, KGA↑; KRA↓↑
| 加一個數(shù)(Add)
| 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)(0001); KGB↓, KGA↑; KTR↓↑; KGA↓, KGB↑; KRA↓↑
| 加一個數(shù)(Add)
| 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)(0002); KGB↓, KGA↑; KTR↓↑; KGA↓, KGB↑; KRA↓↑
| 加一個數(shù)(Add)
| 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)(0004); KGB↓, KGA↑; KTR↓↑; KGA↓, KGB↑; KRA↓↑
|
你可以看到，每次執(zhí)行(Add)這一步，要做的事情（搬動開關(guān)）是一樣的，規(guī)律性極強(qiáng)。這意味著可以用簡化的方式控制"KTR""KRA""KGA""KGB"這幾個開關(guān)的狀態(tài)。經(jīng)過簡化的CPU就有一定的自動化控制的性質(zhì)了，如下圖所示。我們把這個版本的CPU稱為version2的CPU。
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Verison2要比剛才的verison1進(jìn)化了一些。為便于理解，我們保留原來的"KTR""KRA""KGA""KGB"這四個開關(guān)（把它們挪到了右上角，因?yàn)閷?shí)在沒地方放了），但讓它們永遠(yuǎn)保持閉合的狀態(tài)。這是想說明：version2里新增的電路只是實(shí)現(xiàn)了更加自動化地控制"KTR""KRA""KGA""KGB"的開閉，它沒有改變version1中電路的工作流程。
Version2中的"KLoad"和"KAdd"開關(guān)分別代表了"Load"和"Add"這兩個指令。當(dāng)"KLoad"閉合時，表示CPU要進(jìn)行加載操作，這會把"4""3""2""1"上的數(shù)據(jù)存入寄存器"RA"；當(dāng)"KAdd"閉合時，表示CPU要進(jìn)行相加操作，這會把"4""3""2""1"上的數(shù)據(jù)與"RA"當(dāng)前的數(shù)據(jù)相加，然后相加的結(jié)果又存儲到"RA"。
Version2中的"K0"和"K1"兩個開關(guān)會依次的開閉，即兩者總有一個是斷開且另一個是閉合的（若出現(xiàn)其它情況那就是電路設(shè)計(jì)錯了）。所以實(shí)際上"K0"和"K1"可以用一個"2位循環(huán)移位寄存器"代替。（為便于理解，仍然保留"K0"和"K1"這兩個開關(guān)，只不過讓它們永遠(yuǎn)保持閉合的狀態(tài)）
Version2中，只需重復(fù)"準(zhǔn)備指令，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，執(zhí)行指令（K↓↑↓↑）"這樣的操作，就能完成version1中的控制功能。這需要一個從"KLoad""KAdd""K0""K1"到"KTR""KRA""KGA""KGB"的轉(zhuǎn)換電路，即version2電路圖中的上半部分，如下圖所示。
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這需要一點(diǎn)點(diǎn)設(shè)計(jì)邏輯電路的知識，本文直接列出真值表，據(jù)此即可畫出轉(zhuǎn)換電路。（想知道如何推導(dǎo)的話，請查閱《穿》或者數(shù)字電路類書籍）
Kload
| Kadd
| K0
| K1
| KGA
| KRA
| KTR
| KGB
| 1
| 0
| 1
| 0
| 1
| 1
| 0
| 0
| 0
| 1
| 1
| 0
| 1
| 0
| 1
| 0
| 0
| 1
| 0
| 1
| 0
| 1
| 0
| 1
|
其中"KLoad""KAdd""K0""K1"為輸入，"KTR""KRA""KGA""KGB"為輸出。只有如上三種輸入情況下，輸出部分會有1；其它的輸入情況下，輸出全部為0，所以就不需要列出來了。
舉個例子，"KGA"="KLoad""~KAdd""K0""~K1" + "~KLoad""KAdd""K0""~K1"=("KLoad" ⊕"KAdd")"K0""~K1"，據(jù)此可以畫出"KGA"的轉(zhuǎn)換電路。
在version2中，CPU要做的就是重復(fù)"準(zhǔn)備指令，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，執(zhí)行指令（K↓↑↓↑）"這件事。其中執(zhí)行指令這一步是完全重復(fù)完全自動化的（只要用振蕩器替換K就可以），而準(zhǔn)備指令和準(zhǔn)備數(shù)據(jù)還需要手工操作。每次要執(zhí)行哪個指令、要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)是多少，這都是沒有規(guī)律的，可改進(jìn)的方法就是：把指令和數(shù)據(jù)按順序保存到一些特別的寄存器里，需要的時候取出來用。這些特別的寄存器，就是內(nèi)存。
內(nèi)存所謂飯前便后要洗手，一個完整的衛(wèi)生間，除了有若干坑位，還得有洗手池配套。類似的，學(xué)習(xí)CPU的結(jié)構(gòu)原理，也得把"內(nèi)存"牽出來溜溜，否則無法說明計(jì)算機(jī)編程的本質(zhì)。CPU+內(nèi)存才是一個完整的計(jì)算機(jī)（核心），才能展現(xiàn)出CPU的功能。由此也能聯(lián)系到，將鼠標(biāo)鍵盤顯示器等稱為"外部"設(shè)備的道理。
最基本的內(nèi)存單元能夠存儲和讀寫一個位（bit），是由一個上升沿D觸發(fā)器和傳輸門組成，如下圖所示。傳輸門電路我沒有找到只有一位的，拿這個四位GAA的湊合看吧。
o_021%e4%bf%9d%e5%ad%98%e4%b8%80%e4%bd%8d%e7%9a%84%e5%ad%98%e5%82%a8%e5%99%a8.gif (33.66 KB, 下載次數(shù): 301)
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內(nèi)存單元的符號如下圖所示。（取自《穿》）
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把8個bit單元的讀寫端分別連起來，就可以存儲一個字節(jié)（8bit）。下圖是能夠存儲5bit的內(nèi)存單元。（取自《穿》）此圖所示的結(jié)構(gòu)，我們稱之為"一層"。
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存儲4bit的一層的符號如下圖所示。這時我學(xué)會了multisim12里的"層次塊"這個東西，下圖就是用層次塊畫的，這樣可以將復(fù)雜的電路封裝起來，省地方了，還能復(fù)用。所以說模塊化的思想在硬件設(shè)計(jì)里就有了。（"用層次塊替換…"和VS里的"Extract Method…"功能是何其類似�。�
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用一層一層的內(nèi)存單元，即可構(gòu)成存儲器。對于有8層的存儲器，需要3個bit表示需要讀寫的層數(shù)（23=8）。地址譯碼器的作用是：輸入101時，輸出的第5個（從0開始計(jì)數(shù)）引腳為1，其余均為0。有了地址譯碼器，存儲器對外只需很少的地址線（例如10根）即可使用很多層（例如1024層）。這也符合了軟件設(shè)計(jì)中接口盡可能簡單的原則。本文所用的RAM存儲器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。其中左邊的"3-8translator"就是譯碼器。
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其層次塊符號如下圖所示。
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這個RAM有三條地址線（Addr3、Addr2和Addr1），能夠表示23=8個字（層），每個字的長度是4bit。這個小小的RAM剛好夠存儲（5+1+2+4）這個示例的指令和數(shù)據(jù)，下面就用這個RAM繼續(xù)進(jìn)化CPU。
這里也順便把"3-8translator"譯碼器的電路實(shí)現(xiàn)貼出來吧，如下圖所示。
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9位循環(huán)移位寄存器在version2里用的"2位循環(huán)移動寄存器"只需要一個乒乓觸發(fā)器（詳見上一篇）就可以了，但是后面要做的全自動控制器，需要一個"9位循環(huán)移位寄存器"，且這個寄存器要在加電時自動將第一個輸出管腳置為1，其余為0。具有這樣的功能的寄存器如下圖所示。
o_024%e4%b9%9d%e4%bd%8d%e5%be%aa%e7%8e%af%e7%a7%bb%e4%bd%8d%e5%af%84%e5%ad%98%e5%99%a8.gif (33.11 KB, 下載次數(shù): 269)
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如上圖所示，第二行有4個D↑觸發(fā)器，其中最左邊的那個負(fù)責(zé)第一個輸出管腳，即應(yīng)該在加電時就置為1的那個管腳。這是通過左下方的電路實(shí)現(xiàn)的，其原理大家自己琢磨吧，無非是利用反饋電路實(shí)現(xiàn)了只生效一次這個功能而已。"9位循環(huán)移位寄存器"的符號如下圖所示，其中"D0"是第一個輸出管腳。
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還有一個3bit的計(jì)數(shù)器，在上一篇里已經(jīng)提過計(jì)數(shù)器，這里直接上圖。
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其層次塊表示如下圖所示。
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自動控制器有了內(nèi)存，我們就要把指令和數(shù)據(jù)存進(jìn)去。存儲數(shù)據(jù)很好理解，是多少就寫入多少。存指令之前，我們需要為每條指令分配一個4位的編碼，比如0000表示Load，1111表示Add，然后用這個指令碼控制"KLoad"和"KAdd"的開閉，所以這又是一個轉(zhuǎn)換電路。有了這個轉(zhuǎn)換電路，就可以只用"K"開關(guān)來完成"準(zhǔn)備指令、準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、執(zhí)行"這些操作了。全部自動化的CPU如下圖所示。我們將這個版本的CPU稱為version3的CPU。
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這里的"ALU"是用層次塊表示的version1里的電路，因?yàn)椴贿@樣的話，電路太大，而且不容易重點(diǎn)突出自動控制器的工作流程。同樣的，"ShiftRegister9bit"、"Translator"、"Counter3bit"、"RAM8F4bit"都是層次塊表示的電路。
"ShiftRegister9bit"會依次將輸出端置為1，這可以從上方的三個數(shù)值顯示器看出來。"Counter3bit"是3bit的計(jì)數(shù)器。"RAM8F4bit"是8層（每層4bit）的內(nèi)存。"Translator"實(shí)現(xiàn)了控制信號的自動控制，"Translator"的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)如下圖所示。
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Version3所示的下半部分展示了譯碼電路，即把代表指令的4bit信號轉(zhuǎn)換為指令信號的電路。由于我們指定Load和Add指令的代碼（0000和1111）都是很規(guī)則的，所以譯碼電路也比較簡單，如下圖所示。
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Version3的CPU用"9位循環(huán)移位寄存器"等器件實(shí)現(xiàn)了"取指令、分析指令，取數(shù)、執(zhí)行"的全部自動化，其中取指令、分析指令、取數(shù)、執(zhí)行分別占用了移位寄存器的t0- t2、t3、t4-t6、t7-t8這9個階段。
注：如果用振蕩器替換了"K"，這個CPU會不停地運(yùn)轉(zhuǎn)下去，這樣就得不到我們想要的結(jié)果0xC（十進(jìn)制的12）了。所以還需要添加"停機(jī)"指令。不過到這里已經(jīng)說清了CPU的控制器是如何一步步實(shí)現(xiàn)自動化的，不再繼續(xù)講述如何添加新的指令。
最原始的機(jī)器語言編程在給出上文的自動控制器里，我們只說了從內(nèi)存里取指令和數(shù)據(jù)，而沒有說這些指令和數(shù)據(jù)是如何寫進(jìn)去的。其實(shí)寫進(jìn)去的過程就是（機(jī)器語言）編程的過程。最簡單的，你可以用撥動開關(guān)的方式，調(diào)整好要寫入的位置，再調(diào)整好要寫入的數(shù)值，把指令和數(shù)據(jù)一個字一個字地寫入內(nèi)存。最初的計(jì)算機(jī)編程就是用類似這樣的方式（打孔紙帶）編程的。（這個過程實(shí)在無聊，本文就不展示了，有興趣的話自己拿multisim玩玩就好~）
用助記符和一些宏來代替機(jī)器碼，這就是匯編語言。用C語言這種方式封裝了匯編語言的編程方法，就是面向過程編程。用C++C# Java這樣的語言封裝了面向過程的語言，就是面向?qū)ο蟮木幊谭椒āＳ胕f(..){…}代替JMP指令這種東西比較容易想象，但用"封裝繼承多態(tài)"這種飄渺的概念代替面向過程編程就有點(diǎn)困難了。我在另一篇文章《用C表達(dá)面向?qū)ο笳Z言的機(jī)制——C#版》中作了分析和總結(jié)，現(xiàn)在終于算是從繼電器一路走到面向?qū)ο缶幊塘恕?br />
總結(jié)本系列文章只此兩篇就結(jié)束了。貌似太少算不上一個系列，不過管他呢，反正問題寫清楚就行了。如果有誰想做個實(shí)用的CPU，不妨用VHDL。SystemC也是用于硬件設(shè)計(jì)的，是用C++寫的一個類庫。我本科的時候用過，也不錯。
感謝博客園眾多園友推薦的好書，寫本篇之前惡補(bǔ)了一陣，受益匪淺！現(xiàn)和我讀的幾本書一起陳列出來，方便查找。點(diǎn)擊推薦者即可跳轉(zhuǎn)到其博客上。
書名
| 作者
| 推薦者
| 《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》
| 李忠
| BIT祝威
| 《編碼:隱匿在計(jì)算機(jī)軟硬件背后的語言》(《編碼的奧秘》)
| Charles Petzold
(伍衛(wèi)國, 王宣政, 孫燕妮 譯)
| armstronglaw, ClarkZhou, hywin, 天邊彩云, Create Chen, Florian
| 《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要素——從零開始構(gòu)建現(xiàn)代計(jì)算機(jī)》
| Noam Nisan, Shimon Schocken
(周維, 宋磊, 陳曦 譯)
| 吳飛
| 《CPU自制入門》
| 水頭一壽, 米澤遼, 藤田裕士
(趙謙 譯)
| 平如水
| 《CPU芯片邏輯設(shè)計(jì)技術(shù)》
| 朱子玉, 李亞民
| 吳飛
| 《30天自制操作系統(tǒng)》
| 川合秀實(shí)
(周自恒, 李黎明, 曾祥江, 張文旭 譯)
| 薛遺山
| 《Orange'S：一個操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)》
| 于淵
| BIT祝威
|
本文作為整理和總結(jié)性質(zhì)的文章，不求面面俱到，只為整理思路。想從燈泡開始一點(diǎn)一點(diǎn)地了解計(jì)算機(jī)的構(gòu)成的話，建議看《編碼的奧秘-隱匿在計(jì)算機(jī)背后的軟硬件語言》（這一本的中文翻譯也不錯）。
后續(xù)
了解了硬件的設(shè)計(jì)原理，又寫過那么多的程序，下一步就該做個操作系統(tǒng)了。這次要寫個真實(shí)可用的操作系統(tǒng)出來，不必像研究CPU一樣只能弄個超簡化的仿真模型玩了。再次感謝博客園眾多園友推薦的好書，讀了這幾本書我才相信能在個把月內(nèi)做出一個有圖形界面的操作系統(tǒng)。如果再把網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和瀏覽器整進(jìn)來，豈不就可以順利暢游網(wǎng)絡(luò)？
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