中央處理器(CPU,Central Processing Unit)是一塊超大規(guī)模的集成電路,是一臺計算機的運算核心(Core)和控制核心( Control Unit)。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數(shù)據(jù)。中央處理器主要包括運算器(算術(shù)邏輯運算單元,ALU,Arithmetic Logic Unit)和高速緩沖存儲器(Cache)及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)(Data)、控制及狀態(tài)的總線(Bus)。它與內(nèi)部存儲器(Memory)和輸入/輸出(I/O)設(shè)備合稱為電子計算機三大核心部件。
本文主要介紹繼電器是如何組成cpu的,具體的跟隨小編一起來了解一下。
一、從電池、開關(guān)和繼電器開始
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。因為你會發(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。現(xiàn)在有個這個電路圖,感覺一切豁然開朗。
二、用繼電器做個與門
剛剛我們用繼電器做出了“非門”。可以看到只要用一個繼電器就可以了。與門的電路如下圖所示。
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(http://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。
三、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,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。
四、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。
答案揭曉!“異或門”的實現(xiàn)如下圖所示。乍看很復(fù)雜,其實是有邏輯的。最右邊的兩個繼電器其實是一個“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。
五、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。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,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)代計算機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,計算機的速度更快。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,本人截圖也費了不少勁。
順便給一個用繼電器做振蕩器的實際應(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。
六、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),所以計算機只用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。要計算兩個多位二進(jìn)制數(shù)的和,可以分別計算各個數(shù)位上的結(jié)果,而各個數(shù)位的計算方法又是相同的,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表示前一位計算的進(jìn)位的值,C1燈泡表示本次計算的進(jìn)位的值,S1燈泡表示本次計算的和的值。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。
要計算多位數(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《穿越計算機的迷霧》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。
七、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。
八、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)。
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。《穿越計算機的迷霧》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。
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。
九、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)?)。
D觸發(fā)器的符號我也沒在multisim里找到,大家看這個吧。
十、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?
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。
十一、乒乓觸發(fā)器
這是個有點類似振蕩器的器件。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。
可以看出,乒乓觸發(fā)器其實就是把上升沿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)器可以用來做計數(shù)器。計數(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)計二進(jìn)制的00000到11111(即0到31)這32個數(shù)。計數(shù)器的每一位計數(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。
十二、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。
十三、寄存器
能保存5位二進(jìn)制數(shù)的寄存器如下圖所示。其實就是5個上升沿D觸發(fā)器并列起來而已。
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,是因為再畫就太大了,在word里圖就看不清楚了。我們知道現(xiàn)在計算機的寄存器已經(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。
十四、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(http://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。
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》)
十五、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。)
十六、數(shù)值顯示器
為了更直觀地看到CPU的運算結(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”。
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,不再單獨展示。
十七、回到頂部(go to top)
一個簡陋的CPU現(xiàn)在一切就緒,可以開始設(shè)計CPU了!
CPU包括運算器和控制器兩部分。我們首先做出運算器,然后逐步實現(xiàn)控制器,最后感受一下用機器語言編程的過程。本文實現(xiàn)的CPU雖然功能及其簡陋,但是能夠傳達(dá)出當(dāng)前真實CPU的原理。
十八、運算器和手動控制器
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。實現(xiàn)了運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。
上圖中,“Add”是加法器,能執(zhí)行兩個4位數(shù)的加法運算。“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:
十九、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。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。
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,因為實在沒地方放了),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)計錯了)。所以實際上“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。
這需要一點點設(shè)計邏輯電路的知識,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)
KloadKaddK0K1KGAKRAKTRKGB
10101100
01101010
01010101
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。
二十、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,否則無法說明計算機編程的本質(zhì)。CPU+內(nèi)存才是一個完整的計算機(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。
內(nèi)存單元的符號如下圖所示。(取自《穿》)
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”。
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。
其層次塊符號如下圖所示。
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”譯碼器的電路實現(xiàn)貼出來吧,如下圖所示。
二十一、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。
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現(xiàn)的,其原理大家自己琢磨吧,無非是利用反饋電路實現(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。
還有一個3bit的計數(shù)器,在上一篇里已經(jīng)提過計數(shù)器,這里直接上圖。
其層次塊表示如下圖所示。
二十二、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。
這里的“ALU”是用層次塊表示的version1里的電路,因為不這樣的話,電路太大,而且不容易重點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的計數(shù)器。“RAM8F4bit”是8層(每層4bit)的內(nèi)存。“Translator”實現(xiàn)了控制信號的自動控制,“Translator”的內(nèi)部實現(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。
Version3的CPU用“9位循環(huán)移位寄存器”等器件實現(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”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現(xiàn)自動化的,不再繼續(xù)講述如何添加新的指令。
二十三、最原始的機器語言編程
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。其實寫進(jìn)去的過程就是(機器語言)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。最初的計算機編程就是用類似這樣的方式(打孔紙帶)編程的。(這個過程實在無聊,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困難了。我在另一篇文章《用C表達(dá)面向?qū)ο笳Z言的機制——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?/p>