二十、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(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單元的讀寫端分別連起來，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?。?/p>
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(dòng)寄存器”只需要一個(gè)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(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(gè)功能而已?！?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)提過計(jì)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(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(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?！癈ounter3bit”是3bit的計(jì)數(shù)器?！癛AM8F4bit”是8層（每層4bit）的內(nèi)存?！癟ranslator”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(dòng)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(jī)器語言編程
在給出上文的自動(dòng)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(jiǎn)單的，你可以用撥動(dòng)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(gè)字一個(gè)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(gè)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?/p>