二十、內存

　　所謂飯前便后要洗手，一個完整的衛生間，除了有若干坑位，還得有洗手池配套。類似的，學習CPU的結構原理，也得把“內存”牽出來溜溜，否則無法說明計算機編程的本質。CPU+內存才是一個完整的計算機（核心），才能展現出CPU的功能。由此也能聯系到，將鼠標鍵盤顯示器等稱為“外部”設備的道理。

　　最基本的內存單元能夠存儲和讀寫一個位（bit），是由一個上升沿D觸發器和傳輸門組成，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（8bit）。下圖是能夠存儲5bit的內存單元。（取自《穿》）此圖所示的結構，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，這樣可以將復雜的電路封裝起來，省地方了，還能復用。所以說模塊化的思想在硬件設計里就有了。（“用層次塊替換…”和VS里的“Extract Method…”功能是何其類似！）

　　用一層一層的內存單元，即可構成存儲器。對于有8層的存儲器，需要3個bit表示需要讀寫的層數（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）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）。這也符合了軟件設計中接口盡可能簡單的原則。本文所用的RAM存儲器的結構如下圖所示。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據，下面就用這個RAM繼續進化CPU。

　　這里也順便把“3-8translator”譯碼器的電路實現貼出來吧，如下圖所示。

　　二十一、9位循環移位寄存器

　　在version2里用的“2位循環移動寄存器”只需要一個乒乓觸發器（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↑觸發器，其中最左邊的那個負責第一個輸出管腳，即應該在加電時就置為1的那個管腳。這是通過左下方的電路實現的，其原理大家自己琢磨吧，無非是利用反饋電路實現了只生效一次這個功能而已。“9位循環移位寄存器”的符號如下圖所示，其中“D0”是第一個輸出管腳。

　　還有一個3bit的計數器，在上一篇里已經提過計數器，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

　　有了內存，我們就要把指令和數據存進去。存儲數據很好理解，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，所以這又是一個轉換電路。有了這個轉換電路，就可以只用“K”開關來完成“準備指令、準備數據、執行”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值顯示器看出來。“Counter3bit”是3bit的計數器。“RAM8F4bit”是8層（每層4bit）的內存。“Translator”實現了控制信號的自動控制，“Translator”的內部實現如下圖所示。

　　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位循環移位寄存器”等器件實現了“取指令、分析指令，取數、執行”的全部自動化，其中取指令、分析指令、取數、執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會不停地運轉下去，這樣就得不到我們想要的結果0xC（十進制的12）了。所以還需要添加“停機”指令。不過到這里已經說清了CPU的控制器是如何一步步實現自動化的，不再繼續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，我們只說了從內存里取指令和數據，而沒有說這些指令和數據是如何寫進去的。其實寫進去的過程就是（機器語言）編程的過程。最簡單的，你可以用撥動開關的方式，調整好要寫入的位置，再調整好要寫入的數值，把指令和數據一個字一個字地寫入內存。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，就是面向對象的編程方法。用if（。。）{…}代替JMP指令這種東西比較容易想象，但用“封裝繼承多態”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表達面向對象語言的機制——C#版》中作了分析和總結，現在終于算是從繼電器一路走到面向對象編程了。