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標(biāo)題: 繼電器是如何成為CPU的—《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》整理和總結(jié) [打印本頁(yè)]

作者: 51黑fan 時(shí)間: 2016-1-30 01:22
標(biāo)題: 繼電器是如何成為CPU的—《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》整理和總結(jié)

——《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(jiǎn)單的電路圖說(shuō)起，看看能不能從最初的有一個(gè)繼電器的電路，畫(huà)到一個(gè)簡(jiǎn)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(méi)有不同。本人愚鈍，只理解了繼電器，還沒(méi)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(jiǎn)單，用作講解數(shù)字電路原理再好不過(guò)。）
PS：需要本文的multisim12電路圖文件的話，麻煩點(diǎn)個(gè)贊并留下你的Email~

從電池、開(kāi)關(guān)和繼電器開(kāi)始

上圖左上角是一個(gè)很普通的電路，由電池、開(kāi)關(guān)電流表和燈泡組成。這個(gè)是初中物理學(xué)過(guò)的。
上圖右上角是對(duì)左上角電路的簡(jiǎn)單變形，用VCC代替了電池，用接地符號(hào)實(shí)現(xiàn)了回路。相當(dāng)于把電池拆開(kāi)來(lái)畫(huà)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?huì)發(fā)現(xiàn)只有這樣的畫(huà)法能夠讓我們方便理解之后的電路圖。
然后往下看，第三個(gè)電路圖，那個(gè)圈圈里圈著個(gè)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(guò)時(shí)，右側(cè)的電路就斷開(kāi)；反之則聯(lián)通。（對(duì)應(yīng)地，也有那種左側(cè)有電流通過(guò)時(shí)，右側(cè)的電路就聯(lián)通；反之則斷開(kāi)的繼電器，稍后會(huì)用到）這個(gè)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(gè)方式說(shuō)，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(shuō)，就是左側(cè)電路代表了"輸入"（Input）這個(gè)概念，右側(cè)電路代表了"輸出"（Output）這個(gè)概念。繼電器則代表了"計(jì)算"（或者"算法"、"處理"等）（CPU）這個(gè)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(gè)電路圖，它和第三個(gè)的區(qū)別就在于用VCC和接地符號(hào)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(hào)的過(guò)渡。以后的電路圖，我們將直接使用VCC和接地符號(hào)，請(qǐng)務(wù)必在此處適應(yīng)這樣的畫(huà)法。
然后是最下邊這個(gè)電路。和第四個(gè)電路相比，它用一個(gè)"非門"的符號(hào)代替了"繼電器、右側(cè)電路電源和繼電器的接地"這三個(gè)符號(hào)。也就是說(shuō)一個(gè)"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(gè)東西的組合，而且畫(huà)的時(shí)候省略了電源和接地符號(hào)。
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(gè)電路的通路在哪兒，所以一直學(xué)不好。現(xiàn)在有個(gè)這個(gè)電路圖，感覺(jué)一切豁然開(kāi)朗。

用繼電器做個(gè)與門剛剛我們用繼電器做出了"非門"。可以看到只要用一個(gè)繼電器就可以了。與門的電路如下圖所示。

與門由兩個(gè)繼電器（這兩個(gè)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(gè)繼電器左側(cè)都通電時(shí)，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(hào)是一個(gè)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(kāi)關(guān)的開(kāi)閉，輸入和輸出電路上的燈泡是如何變化的。每個(gè)圖上都有（bitzhuwei*cnblogs*com）標(biāo)識(shí)我的博客地址，不過(guò)每個(gè)GIF圖的最后一幀都去掉了這個(gè)標(biāo)識(shí)。這樣，看到一幀沒(méi)有標(biāo)識(shí)的時(shí)候，就知道下一幀將是GIF圖的第一幀了。

用繼電器做個(gè)或門"非門"、"與門"做出來(lái)了，"或門"也就不難理解了，直接上圖大家體會(huì)吧。（導(dǎo)線交叉的地方，如果有個(gè)紅點(diǎn)，表示是聯(lián)通的，否則就是互不相干的）"或門"的符號(hào)像一個(gè)子彈。

用繼電器做個(gè)異或門"異或門"的功能是：左側(cè)的兩個(gè)輸入電路一個(gè)聯(lián)通另一個(gè)不聯(lián)通時(shí)，右側(cè)電路聯(lián)通；否則右側(cè)電路不聯(lián)通。這次先畫(huà)符號(hào)，大家可以先自己嘗試用繼電器畫(huà)"異或門"，鍛煉一下思維，然后再向下看答案。

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(gè)繼電器其實(shí)是一個(gè)"或門"，最左邊兩個(gè)繼電器是兩個(gè)"非門"，中間兩上兩下共四個(gè)繼電器，是兩個(gè)"與門"。這樣就好理解了。AB兩個(gè)輸入電路為A通、B不通的時(shí)候，整個(gè)"異或門"會(huì)通過(guò)下方的路線使燈泡亮；若A不通、B通，則會(huì)通過(guò)上方的線路使燈泡亮。其他情況燈泡都不會(huì)亮。

做一些看起來(lái)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(lái)似乎也沒(méi)什么成就感。那么我們用這些過(guò)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(shí)候，我們說(shuō)輸入為1（輸出為1），否則就說(shuō)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(hào)。這種東西雖然一時(shí)說(shuō)不上有什么用，不過(guò)一定是有用到的時(shí)候的。振蕩器做起來(lái)也簡(jiǎn)單得離譜。看下圖所示電路。

把非門的輸出端連到輸入端上。當(dāng)輸出為1時(shí)，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(wú)休無(wú)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(shuō)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(gè)用繼電器做振蕩器的實(shí)際應(yīng)用的例子：上學(xué)的時(shí)候上下課的鈴聲就是用繼電器做的振蕩器完成的。0101信號(hào)用錘子敲打鐵盔表達(dá)了出來(lái)。

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(lái)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(xiě)得太多了，我就不提啦。要計(jì)算兩個(gè)多位二進(jìn)制數(shù)的和，可以分別計(jì)算各個(gè)數(shù)位上的結(jié)果，而各個(gè)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。

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(méi)在multisim12里找到一位二進(jìn)制數(shù)的加法器件的符號(hào)，大家看這個(gè)圖就可以了。

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(lái)的。如果侵權(quán)，請(qǐng)告訴我，不然我就偷個(gè)懶不自己畫(huà)啦。

寄存器學(xué)匯編的時(shí)候聽(tīng)過(guò)這個(gè)東西，"寄存"這個(gè)詞讓我感覺(jué)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(shuō)的0和1，實(shí)際就是電路的通斷狀態(tài)）保存下來(lái)，以后還可以取出來(lái)用。寄存器這東西比之前的器件都復(fù)雜，需要一步一步來(lái)做。

R-S觸發(fā)器先看下面這個(gè)電路，這是各種有存儲(chǔ)功能的器件的基礎(chǔ)。

上圖展示的是在R和S開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)的情況下啟動(dòng)電路得到的結(jié)果。《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》里說(shuō)這種情況下，哪個(gè)燈泡亮是不一定的，就看哪個(gè)邏輯門轉(zhuǎn)的快了。不過(guò)我用multisim12仿真的時(shí)候，兩個(gè)燈泡是在忽亮忽滅不停地閃。這可以說(shuō)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。

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。可以看到，只閉合S，則Q亮NQ不亮；只閉合R，則Q不亮NQ亮；同時(shí)閉合RS，則Q和NQ都不亮；同時(shí)斷開(kāi)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(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)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(gè)新的輸入作為控制端，只有控制端為1的時(shí)候才能保存新來(lái)的數(shù)據(jù)。這里也把RS端合并為一個(gè)D端，用一個(gè)非門實(shí)現(xiàn)了只能使R和S有且只有一個(gè)開(kāi)關(guān)是閉合的（即要么Q燈泡變?yōu)?要么Q燈泡變?yōu)?）。

D觸發(fā)器的符號(hào)我也沒(méi)在multisim里找到，大家看這個(gè)吧。

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(lái)，而不是像D觸發(fā)器那樣，控制端為1的整個(gè)時(shí)間端都會(huì)保存新數(shù)據(jù)。（這樣最安全）于是我們?cè)贒觸發(fā)器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了上升沿D觸發(fā)器。這個(gè)觸發(fā)器只在控制端從0變?yōu)?的瞬間存儲(chǔ)新數(shù)據(jù)。是不是很奇妙的設(shè)計(jì)？

上升沿D觸發(fā)器使用了兩個(gè)D觸發(fā)器，再加一個(gè)非門，就OK了。平時(shí)，我們把要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（D開(kāi)關(guān)）放好。然后，當(dāng)控制端CP為斷開(kāi)時(shí)，圖中上面那個(gè)D觸發(fā)器是能夠存數(shù)據(jù)的，但是下面那個(gè)存不了。就是說(shuō)新數(shù)據(jù)已經(jīng)到了兩個(gè)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(wú)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(gè)新數(shù)據(jù)？只能是剛剛在兩個(gè)D觸發(fā)器之間的導(dǎo)線上的數(shù)據(jù)了。這個(gè)瞬間之后，新數(shù)據(jù)無(wú)法通過(guò)上面的Ｄ觸發(fā)器，自然也就無(wú)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(hào)。

乒乓觸發(fā)器這是個(gè)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(dòng)地改變輸出，乒乓觸發(fā)器是在輸入一個(gè)上升沿的時(shí)候改變輸出。電路圖如下所示。

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(hào)相反。
乒乓觸發(fā)器可以用來(lái)做計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器有這樣的功能：每收到一個(gè)上升沿的信號(hào)，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(gè)數(shù)。計(jì)數(shù)器的每一位計(jì)數(shù)器件都是一個(gè)乒乓觸發(fā)器。燈泡亮表示1，燈泡滅表示0。

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(gè)燈泡亮的設(shè)備，最后一個(gè)燈泡亮過(guò)之后，又從第一個(gè)燈泡開(kāi)始亮，循環(huán)往復(fù)。下圖所示電路就是一個(gè)有5個(gè)燈泡循環(huán)走馬的走馬燈。為了在電路剛接通的時(shí)候讓第一個(gè)燈亮起來(lái)，我加了兩個(gè)開(kāi)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(huì)上升沿D觸發(fā)器的功能，并加速對(duì)更復(fù)雜器件的理解。

寄存器終于到這個(gè)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(gè)上升沿D觸發(fā)器并列起來(lái)而已。

想保存數(shù)據(jù)的時(shí)候，調(diào)整好D0、D1、D2、D3、D4五個(gè)開(kāi)關(guān)（實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候就可能是其他電路的輸出導(dǎo)線了），然后斷開(kāi)再閉合一下控制端的開(kāi)關(guān)S5即可，數(shù)據(jù)就保存到了5個(gè)上升沿D觸發(fā)器的Q端。
我這里只畫(huà)了保存5位數(shù)的寄存器，是因?yàn)樵佼?huà)就太大了，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(gè)并列的上升沿D觸發(fā)器組成一個(gè)寄存器。我們也看到了一個(gè)上升沿D觸發(fā)器需要幾十個(gè)繼電器（晶體管），那么一個(gè)寄存器就需要上千個(gè)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(wàn)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(gè)門電路組成存儲(chǔ)一位（一個(gè)bit，8個(gè)bit是一個(gè)字節(jié)）的存儲(chǔ)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(chǎng)休息到這里，做CPU需要的基礎(chǔ)器件就差不多全了。不過(guò)再寫(xiě)下去就太長(zhǎng)了，不利于理解和記憶。因此暫且中場(chǎng)休息，下一篇再繼續(xù)介紹如何構(gòu)造一個(gè)簡(jiǎn)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(lái)了）

繼電器
	非門電路
	與門電路
	或門電路
	異或門電路
振蕩器
加法器
寄存器
	R-S	D	D↑	乒乓	計(jì)數(shù)器
				走馬燈
				寄存器	多個(gè)數(shù)的加法器
				存儲(chǔ)器	多bit存儲(chǔ)器	多字存儲(chǔ)器	有地址譯碼器的存儲(chǔ)器
控制器
	手動(dòng)
	半自動(dòng)
	全自動(dòng)

自言自語(yǔ)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(shū)：《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》、《Orange'S OS：一個(gè)操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)》、《CLR via C#》。
讀《穿》就是為了弄明白一個(gè)問(wèn)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(wèn)題。

讀《Orange》也是為了弄明白一個(gè)問(wèn)題：進(jìn)程到底是什么？
讀《CLR via C#》還是為了弄明白一個(gè)問(wèn)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(huì)去求索~

上一篇已經(jīng)從電池、開(kāi)關(guān)、燈泡和繼電器開(kāi)始，畫(huà)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(gè)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(shí)，左側(cè)的1A4、1A3、1A2、1A1會(huì)直接傳輸?shù)接覀?cè)對(duì)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(shí)，左側(cè)的1A4、1A3、1A2、1A1都不能傳輸?shù)接覀?cè)對(duì)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(kāi)關(guān)的開(kāi)閉，輸入和輸出電路上的燈泡是如何變化的。每個(gè)圖上都有（bitzhuwei*cnblogs*com）標(biāo)識(shí)我的博客地址，不過(guò)每個(gè)GIF圖的最后一幀都去掉了這個(gè)標(biāo)識(shí)。這樣，看到一幀沒(méi)有標(biāo)識(shí)的時(shí)候，就知道下一幀將是GIF圖的第一幀了。

傳輸門的原理很簡(jiǎn)單，就是在每個(gè)1A*到1Y*之間的連線上放個(gè)繼電器而已，如下圖所示。（取自《穿》）

寄存器在上一篇已經(jīng)說(shuō)明了寄存器的原理，這里僅僅是為了說(shuō)明"74LS194"這個(gè)帶有各種無(wú)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(gè)簡(jiǎn)單的四位寄存器了。（本人在multisim12.0里只找到了這個(gè)靠譜的四位寄存器，湊合用吧。）

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(gè)東西。它能夠把輸入的"0101"顯示為"5"，把"1010"顯示為"A"。

本文還要用一個(gè)四位的加法器，直接在下面這個(gè)簡(jiǎn)陋的CPU里看就好了，不再單獨(dú)展示。

一個(gè)簡(jiǎn)陋的CPU現(xiàn)在一切就緒，可以開(kāi)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(yǔ)言編程的過(guò)程。本文實(shí)現(xiàn)的CPU雖然功能及其簡(jiǎn)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(dòng)控制器現(xiàn)在我們要做的這個(gè)CPU，字長(zhǎng)是4位，只能做兩個(gè)數(shù)的加法。實(shí)現(xiàn)了運(yùn)算器和手動(dòng)版的控制器的CPU如下圖所示。我們把這個(gè)版本稱為version1的CPU。

上圖中，"Add"是加法器，能執(zhí)行兩個(gè)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(lái)準(zhǔn)備需要相加的數(shù)據(jù)（0到15），"KTR""KRA""KGA""KGB"是用來(lái)控制傳輸門通斷和寄存器脈沖的開(kāi)關(guān)。
在上圖所示的GIF動(dòng)畫(huà)中，顯示了"5+1+2+4"這個(gè)過(guò)程。這個(gè)過(guò)程可以分為4個(gè)步驟：①加載一個(gè)數(shù)值（Load）；②加上一個(gè)數(shù)值（Add）；③加上一個(gè)數(shù)值（Add）；④加上一個(gè)數(shù)值（Add）。具體來(lái)說(shuō)，每一個(gè)步驟要做的事情是：

指令	內(nèi)容
加載一個(gè)數(shù)(Load)	準(zhǔn)備數(shù)據(jù)(0101); KGB↓, KGA↑; KRA↓↑
加一個(gè)數(shù)(Add)	準(zhǔn)備數(shù)據(jù)(0001); KGB↓, KGA↑; KTR↓↑; KGA↓, KGB↑; KRA↓↑
加一個(gè)數(shù)(Add)	準(zhǔn)備數(shù)據(jù)(0002); KGB↓, KGA↑; KTR↓↑; KGA↓, KGB↑; KRA↓↑
加一個(gè)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(dòng)開(kāi)關(guān)）是一樣的，規(guī)律性極強(qiáng)。這意味著可以用簡(jiǎn)化的方式控制"KTR""KRA""KGA""KGB"這幾個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的CPU就有一定的自動(dòng)化控制的性質(zhì)了，如下圖所示。我們把這個(gè)版本的CPU稱為version2的CPU。

Verison2要比剛才的verison1進(jìn)化了一些。為便于理解，我們保留原來(lái)的"KTR""KRA""KGA""KGB"這四個(gè)開(kāi)關(guān)（把它們挪到了右上角，因?yàn)閷?shí)在沒(méi)地方放了），但讓它們永遠(yuǎn)保持閉合的狀態(tài)。這是想說(shuō)明：version2里新增的電路只是實(shí)現(xiàn)了更加自動(dòng)化地控制"KTR""KRA""KGA""KGB"的開(kāi)閉，它沒(méi)有改變version1中電路的工作流程。
Version2中的"KLoad"和"KAdd"開(kāi)關(guān)分別代表了"Load"和"Add"這兩個(gè)指令。當(dāng)"KLoad"閉合時(shí)，表示CPU要進(jìn)行加載操作，這會(huì)把"4""3""2""1"上的數(shù)據(jù)存入寄存器"RA"；當(dāng)"KAdd"閉合時(shí)，表示CPU要進(jìn)行相加操作，這會(huì)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(chǔ)到"RA"。
Version2中的"K0"和"K1"兩個(gè)開(kāi)關(guān)會(huì)依次的開(kāi)閉，即兩者總有一個(gè)是斷開(kāi)且另一個(gè)是閉合的（若出現(xiàn)其它情況那就是電路設(shè)計(jì)錯(cuò)了）。所以實(shí)際上"K0"和"K1"可以用一個(gè)"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(gè)開(kāi)關(guān)，只不過(guò)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(gè)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。

這需要一點(diǎn)點(diǎn)設(shè)計(jì)邏輯電路的知識(shí)，本文直接列出真值表，據(jù)此即可畫(huà)出轉(zhuǎn)換電路。（想知道如何推導(dǎo)的話，請(qǐng)查閱《穿》或者數(shù)字電路類書(shū)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(huì)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(lái)了。
舉個(gè)例子，"KGA"="KLoad""~KAdd""K0""~K1" + "~KLoad""KAdd""K0""~K1"=("KLoad" ⊕"KAdd")"K0""~K1"，據(jù)此可以畫(huà)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(dòng)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(gè)指令、要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)是多少，這都是沒(méi)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(shí)候取出來(lái)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(gè)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(lái)溜溜，否則無(wú)法說(shuō)明計(jì)算機(jī)編程的本質(zhì)。CPU+內(nèi)存才是一個(gè)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(pán)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(chǔ)和讀寫(xiě)一個(gè)位（bit），是由一個(gè)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(méi)有找到只有一位的，拿這個(gè)四位GAA的湊合看吧。

內(nèi)存單元的符號(hào)如下圖所示。（取自《穿》）

把8個(gè)bit單元的讀寫(xiě)端分別連起來(lái)，就可以存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)（8bit）。下圖是能夠存儲(chǔ)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"。

存儲(chǔ)4bit的一層的符號(hào)如下圖所示。這時(shí)我學(xué)會(huì)了multisim12里的"層次塊"這個(gè)東西，下圖就是用層次塊畫(huà)的，這樣可以將復(fù)雜的電路封裝起來(lái)，省地方了，還能復(fù)用。所以說(shuō)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！）

用一層一層的內(nèi)存單元，即可構(gòu)成存儲(chǔ)器。對(duì)于有8層的存儲(chǔ)器，需要3個(gè)bit表示需要讀寫(xiě)的層數(shù)（23=8）。地址譯碼器的作用是：輸入101時(shí)，輸出的第5個(gè)（從0開(kāi)始計(jì)數(shù)）引腳為1，其余均為0。有了地址譯碼器，存儲(chǔ)器對(duì)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(jiǎn)單的原則。本文所用的RAM存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)如下圖所示。其中左邊的"3-8translator"就是譯碼器。

其層次塊符號(hào)如下圖所示。

這個(gè)RAM有三條地址線（Addr3、Addr2和Addr1），能夠表示23=8個(gè)字（層），每個(gè)字的長(zhǎng)度是4bit。這個(gè)小小的RAM剛好夠存儲(chǔ)（5+1+2+4）這個(gè)示例的指令和數(shù)據(jù)，下面就用這個(gè)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(lái)吧，如下圖所示。

9位循環(huán)移位寄存器在version2里用的"2位循環(huán)移動(dòng)寄存器"只需要一個(gè)乒乓觸發(fā)器（詳見(jiàn)上一篇）就可以了，但是后面要做的全自動(dòng)控制器，需要一個(gè)"9位循環(huán)移位寄存器"，且這個(gè)寄存器要在加電時(shí)自動(dòng)將第一個(gè)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。

如上圖所示，第二行有4個(gè)D↑觸發(fā)器，其中最左邊的那個(gè)負(fù)責(zé)第一個(gè)輸出管腳，即應(yīng)該在加電時(shí)就置為1的那個(gè)管腳。這是通過(guò)左下方的電路實(shí)現(xiàn)的，其原理大家自己琢磨吧，無(wú)非是利用反饋電路實(shí)現(xiàn)了只生效一次這個(gè)功能而已。"9位循環(huán)移位寄存器"的符號(hào)如下圖所示，其中"D0"是第一個(gè)輸出管腳。

還有一個(gè)3bit的計(jì)數(shù)器，在上一篇里已經(jīng)提過(guò)計(jì)數(shù)器，這里直接上圖。

其層次塊表示如下圖所示。

自動(dòng)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(chǔ)數(shù)據(jù)很好理解，是多少就寫(xiě)入多少。存指令之前，我們需要為每條指令分配一個(gè)4位的編碼，比如0000表示Load，1111表示Add，然后用這個(gè)指令碼控制"KLoad"和"KAdd"的開(kāi)閉，所以這又是一個(gè)轉(zhuǎn)換電路。有了這個(gè)轉(zhuǎn)換電路，就可以只用"K"開(kāi)關(guān)來(lái)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(dòng)化的CPU如下圖所示。我們將這個(gè)版本的CPU稱為version3的CPU。

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(dòng)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(huì)依次將輸出端置為1，這可以從上方的三個(gè)數(shù)值顯示器看出來(lái)。"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(hào)的自動(dòng)控制，"Translator"的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)如下圖所示。

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(hào)轉(zhuǎn)換為指令信號(hào)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(jiǎn)單，如下圖所示。

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(dòng)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(gè)階段。
注：如果用振蕩器替換了"K"，這個(gè)CPU會(huì)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(guò)到這里已經(jīng)說(shuō)清了CPU的控制器是如何一步步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yǔ)言編程在給出上文的自動(dòng)控制器里，我們只說(shuō)了從內(nèi)存里取指令和數(shù)據(jù)，而沒(méi)有說(shuō)這些指令和數(shù)據(jù)是如何寫(xiě)進(jìn)去的。其實(shí)寫(xiě)進(jìn)去的過(guò)程就是（機(jī)器語(yǔ)言）編程的過(guò)程。最簡(jiǎn)單的，你可以用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)的方式，調(diào)整好要寫(xiě)入的位置，再調(diào)整好要寫(xiě)入的數(shù)值，把指令和數(shù)據(jù)一個(gè)字一個(gè)字地寫(xiě)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(gè)過(guò)程實(shí)在無(wú)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(lái)代替機(jī)器碼，這就是匯編語(yǔ)言。用C語(yǔ)言這種方式封裝了匯編語(yǔ)言的編程方法，就是面向過(guò)程編程。用C++C# Java這樣的語(yǔ)言封裝了面向過(guò)程的語(yǔ)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(guò)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(yǔ)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(gè)系列，不過(guò)管他呢，反正問(wèn)題寫(xiě)清楚就行了。如果有誰(shuí)想做個(gè)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(xiě)的一個(gè)類庫(kù)。我本科的時(shí)候用過(guò)，也不錯(cuò)。
感謝博客園眾多園友推薦的好書(shū)，寫(xiě)本篇之前惡補(bǔ)了一陣，受益匪淺！現(xiàn)和我讀的幾本書(shū)一起陳列出來(lái)，方便查找。點(diǎn)擊推薦者即可跳轉(zhuǎn)到其博客上。

書(shū)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(yǔ)言》(《編碼的奧秘》)	Charles Petzold (伍衛(wèi)國(guó), 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(kāi)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(gè)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(kāi)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(yǔ)言》（這一本的中文翻譯也不錯(cuò)）。

后續(xù)
了解了硬件的設(shè)計(jì)原理，又寫(xiě)過(guò)那么多的程序，下一步就該做個(gè)操作系統(tǒng)了。這次要寫(xiě)個(gè)真實(shí)可用的操作系統(tǒng)出來(lái)，不必像研究CPU一樣只能弄個(gè)超簡(jiǎn)化的仿真模型玩了。再次感謝博客園眾多園友推薦的好書(shū)，讀了這幾本書(shū)我才相信能在個(gè)把月內(nèi)做出一個(gè)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(lái)，豈不就可以順利暢游網(wǎng)絡(luò)？

作者: 真愛(ài) 時(shí)間: 2016-2-4 09:15
很好的東西,學(xué)習(xí)了,慢慢研究

作者: qgjkwfn 時(shí)間: 2017-12-25 18:18
不錯(cuò)的思路，由淺入深！

作者: Jackis 時(shí)間: 2019-6-26 17:11
厲害厲害，講的很淺顯易懂，學(xué)習(xí)了。

作者: 94525403 時(shí)間: 2019-6-27 22:01
很好的學(xué)習(xí)資料。先下載下來(lái)學(xué)習(xí)一下

歡迎光臨 (http://m.zg4o1577.cn/bbs/)

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