繼電器是如何成為CPU的（2）

——《穿越計(jì)算機(jī)的迷霧》整理和總結(jié)

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(mén)

下圖所示的傳輸門(mén)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(xiàn)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(xiàn)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（http://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(mén)的原理很簡(jiǎn)單，就是在每個(gè)1A*到1Y*之間的連線(xiàn)上放個(gè)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(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。）

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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(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(chēng)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(mén)。"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(mén)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(chēng)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(huà)，請(qǐng)查閱《穿》或者數(shù)字電路類(lèi)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(lèi)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(chēng)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(mén)組成，如下圖所示。傳輸門(mén)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(chēng)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(lèi)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(xiàn)（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(xiàn)（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。

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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(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。

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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(chēng)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(huà)，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(lèi)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(huà)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?/p>

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(lèi)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(mén)》	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(huà)，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)？

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的继电器是如何成为CPU的（2）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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