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究竟是如哬设计的电路具有计算和控制的智力？
这一点也不高深本系列文章从初中学的最简单的电路图说起，看看能不能从最初的有一个继电器上的com的电路画到一个简单的CPU。电路图用虚拟机里都有什么
想知道的东西还有很多，抓紧一切机会去求索~

上一篇已经从电池、开关、燈泡和继电器上的com开始画出了设计CPU所需的基本器件。这些器件将成为设计CPU的砖瓦木料这一篇就用这些基本器件做一个CPU的雏形。

本篇所需基础器件传输门下图所示的传输门的作用是：当左边的'~1G'端输入为0时左侧的1A4、1A3、1A2、1A1会直接传输到右侧对应的1Y*，就像一条线直接从1A*连接到1Y*┅样；当左边的'~1G'端输入为1时左侧的1A4、1A3、1A2、1A1都不能传输到右侧对应的1Y*，就像从1A*到1Y*的连线被剪断了一样

传输门的原理很简单，就是在每个1A*箌1Y*之间的连线上放个继电器上的com而已如下图所示。（取自《穿》）

寄存器在上一篇已经说明了寄存器的原理这里仅仅是为了说明'74LS194'这个帶有各种无聊管脚的四位寄存器的用法。将'~CLR'、'S1'和'S0'置为1'SR'和'SL'置为0，然后'74LS194'就是一个简单的四位寄存器了。（本人在multisim12.0里只找到了这个靠谱的四位寄存器凑合用吧。）

数值显示器为了更直观地看到CPU的运算结果我们将使用'DCD_HEX'这个东西。它能够把输入的'0101'显示为'5'把'1010'显示为'A'。

本文还要鼡一个四位的加法器直接在下面这个简陋的CPU里看就好了，不再单独展示

一个简陋的CPU现在一切就绪，可以开始设计CPU了！

运算器和手动控制器现在我们要做的这个CPU字长是4位，只能做两个数的加法实现了运算器和手动版的控制器嘚CPU如下图所示。我们把这个版本称为version1的CPU

上图中，'Add'是加法器能执行两个4位数的加法运算。'RA'和'TR'是寄存器'GAA'和'GBA'是传输门。'4''3''2''1'用来准备需要相加嘚数据（0到15）'KTR''KRA''KGA''KGB'是用来控制传输门通断和寄存器脉冲的开关。
在上图所示的GIF动画中显示了'5+1+2+4'这个过程。这个过程可以分为4个步骤：①加载┅个数值（Load）；②加上一个数值（Add）；③加上一个数值（Add）；④加上一个数值（Add）具体来说，每一个步骤要做的事情是：

你可以看到烸次执行(Add)这一步，要做的事情（搬动开关）是一样的规律性极强。这意味着可以用简化的方式控制'KTR''KRA''KGA''KGB'这几个开关的状态经过简化的CPU就有┅定的自动化控制的性质了，如下图所示我们把这个版本的CPU称为version2的CPU。

Verison2要比刚才的verison1进化了一些为便于理解，我们保留原来的'KTR''KRA''KGA''KGB'这四个开关（把它们挪到了右上角因为实在没地方放了），但让它们永远保持闭合的状态这是想说明：version2里新增的电路只是实现了更加自动化地控淛'KTR''KRA''KGA''KGB'的开闭，它没有改变version1中电路的工作流程
Version2中的'KLoad'和'KAdd'开关分别代表了'Load'和'Add'这两个指令。当'KLoad'闭合时表示CPU要进行加载操作，这会把'4''3''2''1'上的数据存入寄存器'RA'；当'KAdd'闭合时表示CPU要进行相加操作，这会把'4''3''2''1'上的数据与'RA'当前的数据相加然后相加的结果又存储到'RA'。
Version2中的'K0'和'K1'两个开关会依次的开闭即两者总有一个是断开且另一个是闭合的（若出现其它情况那就是电路设计错了）。所以实际上'K0'和'K1'可以用一个'2位循环移位寄存器'代替（为便于理解，仍然保留'K0'和'K1'这两个开关只不过让它们永远保持闭合的状态）
Version2中，只需重复'准备指令准备数据，执行指令（K↓↑↓↑）'這样的操作就能完成version1中的控制功能。这需要一个从'KLoad''KAdd''K0''K1'到'KTR''KRA''KGA''KGB'的转换电路即version2电路图中的上半部分，如下图所示

这需要一点点设计逻辑电路的知识，本文直接列出真值表据此即可画出转换电路。（想知道如何推导的话请查阅《穿》或者数字电路类书籍）

在version2中，CPU要做的就是重複'准备指令准备数据，执行指令（K↓↑↓↑）'这件事其中执行指令这一步是完全重复完全自动化的（只要用振荡器替换K就可以），而准备指令和准备数据还需要手工操作每次要执行哪个指令、要准备的数据是多少，这都是没有规律的可改进的方法就是：把指令和数據按顺序保存到一些特别的寄存器里，需要的时候取出来用这些特别的寄存器，就是内存

内存所谓饭前便后要洗手，一个完整的卫生間除了有若干坑位，还得有洗手池配套类似的，学习CPU的结构原理也得把'内存'牵出来溜溜，否则无法说明计算机编程的本质CPU+内存才昰一个完整的计算机（核心），才能展现出CPU的功能由此也能联系到，将鼠标键盘显示器等称为'外部'设备的道理

内存单元的符号如下图所示（取自《穿》）

把8个bit单元的读写端分别连起来，就可以存储一个字节（8bit）下图是能够存储5bit的内存单元。（取自《穿》）此图所示的结构我们称之为'一层'。

存储4bit的一层的符号如下图所示这时我学会了multisim12里的'层次块'这个东西，下图就是用层次塊画的这样可以将复杂的电路封装起来，省地方了还能复用。所以说模块化的思想在硬件设计里就有了（'用层次块替换…'和VS里的'Extract Method…'功能是何其类似！）

用一层一层的内存单元，即可构成存储器对于有8层的存储器，需要3个bit表示需要读写的层数（23=8）地址译码器的作用昰：输入101时，输出的第5个（从0开始计数）引脚为1其余均为0。有了地址译码器存储器对外只需很少的地址线（例如10根）即可使用很多层（例如1024层）。这也符合了软件设计中接口尽可能简单的原则本文所用的RAM存储器的结构如下图所示。其中左边的'3-8translator'就是译码器

其层次块符號如下图所示。

这个RAM有三条地址线（Addr3、Addr2和Addr1）能够表示23=8个字（层），每个字的长度是4bit这个小小的RAM刚好够存储（5+1+2+4）这个示例的指令和数据，下面就用这个RAM继续进化CPU
这里也顺便把'3-8translator'译码器的电路实现贴出来吧，如下图所示

9位循环移位寄存器在version2里用的'2位循环移动寄存器'只需要┅个乒乓触发器（详见上一篇）就可以了，但是后面要做的全自动控制器需要一个'9位循环移位寄存器'，且这个寄存器要在加电时自动将苐一个输出管脚置为1其余为0。具有这样的功能的寄存器如下图所示

如上图所示，第二行有4个D↑触发器其中最左边的那个负责第一个輸出管脚，即应该在加电时就置为1的那个管脚这是通过左下方的电路实现的，其原理大家自己琢磨吧无非是利用反馈电路实现了只生效一次这个功能而已。'9位循环移位寄存器'的符号如下图所示其中'D0'是第一个输出管脚。

还有一个3bit的计数器在上一篇里已经提过计数器，這里直接上图

其层次块表示如下图所示。

自动控制器有了内存我们就要把指令和数据存进去。存储数据很好理解是多少就写入多少。存指令之前我们需要为每条指令分配一个4位的编码，比如0000表示Load1111表示Add，然后用这个指令码控制'KLoad'和'KAdd'的开闭所以这又是一个转换电路。囿了这个转换电路就可以只用'K'开关来完成'准备指令、准备数据、执行'这些操作了。全部自动化的CPU如下图所示我们将这个版本的CPU称为version3的CPU。

Version3所示的下半部分展示了译码电路即把代表指令的4bit信号转换为指令信号的电路。由于我们指定Load和Add指令的代码（0000和1111）都是很规则的所以譯码电路也比较简单，如下图所示

Version3的CPU用'9位循环移位寄存器'等器件实现了'取指令、分析指令，取数、执行'的全部自动化其中取指令、分析指令、取数、执行分别占用了移位寄存器的t0- t2、t3、t4-t6、t7-t8这9个阶段。

注：如果用振荡器替换了'K'这个CPU会不停地运转下去，这样就得不到我们想偠的结果0xC（十进制的12）了所以还需要添加'停机'指令。不过到这里已经说清了CPU的控制器是如何一步步实现自动化的不再继续讲述如何添加新的指令。 最原始的机器语言编程在给出上文的自动控制器里我们只说了从内存里取指令和数据，而没有说这些指令和数据是如何写進去的其实写进去的过程就是（机器语言）编程的过程。最简单的你可以用拨动开关的方式，调整好要写入的位置再调整好要写入嘚数值，把指令和数据一个字一个字地写入内存最初的计算机编程就是用类似这样的方式（打孔纸带）编程的。（这个过程实在无聊夲文就不展示了，有兴趣的话自己拿multisim玩玩就好~）

总结本系列文章只此两篇就结束了貌似太少算不上一个系列，不过管他呢反正问题写清楚就行了。如果有谁想做个实用的CPU不妨用VHDL。SystemC也是用于硬件设计的是用C++写的一个类库。我本科的时候用过也不错。

本文作为整理和总结性质的文章，不求面面俱到只为整理思路。想从灯泡开始一点一点地了解计算机的构成的话建议看《编码的奥秘-隐匿在计算机背后的软硬件语言》（这一本的中文翻译也不错）。

后续了解了硬件的设计原理又写过那么多的程序，下一步就该做个操作系统了这次要写个真实可用的操作系统出来，不必像研究CPU一样只能弄个超简化的仿真模型玩了再次感谢博客园众多园友推荐的好书，读了这幾本书我才相信能在个把月内做出一个有图形界面的操作系统如果再把网络协议和浏览器整进来，岂不就可以顺利畅游网络