話接上文：? 造個(gè)計(jì)算機(jī)
廢話少說(shuō)，先聊聊我們要造的這個(gè)計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目（整體計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于個(gè)人來(lái)說(shuō)算個(gè)小project吧，權(quán)當(dāng)上勞動(dòng)實(shí)驗(yàn)課了）的目標(biāo)是一個(gè)模型級(jí)的計(jì)算機(jī)，因此本著只要五臟俱全，不管是麻雀還是老鼠，只要包含主要結(jié)構(gòu)就行。首先百度點(diǎn)基礎(chǔ)知識(shí)先科普一下。 ??
馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)
馮氏結(jié)構(gòu)是基本上目前市場(chǎng)上所有看到的通用計(jì)算機(jī)采用的結(jié)構(gòu)，從我們見到的PC到各種平板電腦，到手機(jī)，幾乎全部都是這個(gè)結(jié)構(gòu)（如果有專利費(fèi)的，估計(jì)能夠收不少，可惜老馮早逝）簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如圖所示：
關(guān)于這個(gè)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)的、專業(yè)的介紹，請(qǐng)參考百度百科：?馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，?馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)
還好本項(xiàng)目的主要目標(biāo)是把這樣一個(gè)模型給的玩意給造出來(lái)，就跟造車模一樣，能跑就行，至于原理術(shù)語(yǔ)什么的，知道和不知道對(duì)于這個(gè)事情來(lái)說(shuō)區(qū)別不大，因此如果打開看不懂的話，也絲毫不影響接下來(lái)的工作。
簡(jiǎn)單解釋一下：
1、 輸入設(shè)備： 就是不斷往對(duì)著電腦輸入信息的東西，最原始古老的當(dāng)然是鍵盤，但是從廣義上來(lái)說(shuō)，所有各種往計(jì)算機(jī)/手機(jī)里面能夠用于輔助把信息傳入的設(shè)備都算，鼠標(biāo)啊，攝像頭，指紋識(shí)別，（當(dāng)然，手指頭不算，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，手指頭所接觸的那一層電容屏幕算），在本項(xiàng)目里面，當(dāng)然，我們只考慮鍵盤，最標(biāo)準(zhǔn)最簡(jiǎn)單的鍵盤。
2、存儲(chǔ)器：廣義來(lái)說(shuō)，各種帶存的東西都算，內(nèi)存，硬盤，SD卡，各種東西，反正就是能存東西的，相片、視頻、文件、軟件等等，當(dāng)然內(nèi)存和其它的還是有所區(qū)別，不過(guò)無(wú)所謂了。
3、輸出設(shè)備：顧名思義，輸入的信息在電腦里面加工處理了，就得在輸出設(shè)備上輸出來(lái)，最多的就是屏幕，各種屏幕，電腦顯示屏、手機(jī)、平板的顯示屏，打印機(jī)也是。?
4、運(yùn)算器和控制器：這兩塊內(nèi)容是CPU里面的，關(guān)于CPU，一般人可能聽得很多，但做得很少，當(dāng)然一個(gè)能夠賣錢的CPU很復(fù)雜，但是對(duì)于本項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，復(fù)雜度會(huì)降低很多個(gè)量級(jí)（當(dāng)然，也還是整個(gè)設(shè)計(jì)里面硬件部分最復(fù)雜的內(nèi)容），運(yùn)算器做為CPU的核心部分，實(shí)現(xiàn)的功能就是運(yùn)算，CPU的主要功能就是實(shí)現(xiàn)在控制器控制下的運(yùn)算（廣義的）。
簡(jiǎn)單的舉個(gè)例子說(shuō)明這幾部分是怎么接在一起干活的，就是上面圖是提到的數(shù)據(jù)流、指令流和控制流什么的，其實(shí)撇開這些術(shù)語(yǔ)，比如在鍵盤上按一下字母“1+1=”，然后在屏幕的上顯示出來(lái)“2”，主要的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是這樣的：
1、在鍵盤上依次按下“1”“+”“1”“=”，回車這幾個(gè)鍵。
2、按了這幾個(gè)鍵以后，實(shí)際上傳輸過(guò)去的是一些電流信號(hào)（不用care），這個(gè)時(shí)候，CPU里面的控制器就告訴鍵盤和存儲(chǔ)器，讓把這些上面輸入的東西依次存在存儲(chǔ)器里面，比如說(shuō)內(nèi)存，同時(shí)還要告訴屏幕，你把內(nèi)存里面的這些字符串顯示出來(lái)吧。
3、存了以后，這個(gè)時(shí)候，運(yùn)算器就把這個(gè)內(nèi)容讀進(jìn)來(lái)，然后算一下，在這里結(jié)果是等于2（當(dāng)然，我們希望他等于別的也行），然后把2這個(gè)結(jié)果完了以后，再寫到內(nèi)存里面，然后控制器再告訴屏幕，把2顯示出來(lái)。
OK，整個(gè)結(jié)果基本就是這樣，這是老馮這幫牛人的偉大和牛X之處，總能夠提出一些簡(jiǎn)單易懂但是強(qiáng)大好用的東西。
怎么好用呢？以后再聊。
運(yùn)算器設(shè)計(jì)
這里最核心的是運(yùn)算器的設(shè)計(jì)，在本項(xiàng)目里面，設(shè)計(jì)的運(yùn)算器，基本上就是一個(gè)very sample的計(jì)算器，支持一些最簡(jiǎn)單的運(yùn)算。這個(gè)東東有一個(gè)比較學(xué)術(shù)的詞（算術(shù)邏輯單元，Arithmetic Logic Unit,ALU）以下都叫ALU，或者就叫運(yùn)算器。在本項(xiàng)目里面要實(shí)現(xiàn)的ALU是這么樣的一個(gè)東西
解釋一下，整個(gè)運(yùn)算器的主要運(yùn)算是支持兩個(gè)16的輸入x和y的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果的輸出也是16位的，支持的計(jì)算包括：x+y, x-y, y–x,0, 1, -1,x, y, -x, -y,!x, !y,x+1, y+1, x-1, y-1,x&y, x|y，上面的zx、nx、zy什么的是控制位，主要的作用這樣的：
這個(gè)表里面，上面的這些位都是一個(gè)bit的控制位，第一行，當(dāng)zx位是1話，那么x就是0，然后zy是1，y就是0, 然后f是1，最終結(jié)果就是x+y，在這種情況下，x和y不管輸入是多少，計(jì)算的結(jié)果都是0，這一共18條運(yùn)算指令就構(gòu)成了這個(gè)ALU的指令集，比如倒數(shù)第5行，只有在zx、nx zy ny no都為0，f位為1時(shí)，才會(huì)執(zhí)行x+y操作，當(dāng)輸入x為0000000000000010(十進(jìn)制的2), y為0000000000000011(十進(jìn)制的3)，輸出的out為0000000000000101(十進(jìn)制的5)。
zr和ng是兩個(gè)標(biāo)志位，當(dāng)輸出out為零的時(shí)候，zr為1,否則 為0；當(dāng)out<0的時(shí)候，ng為1,否則為0。在這里對(duì)于!x, x&y, x|y需要解釋嗎？需要嗎？不需要嗎？
總之，這個(gè)東西實(shí)際造出來(lái)以后，就是一個(gè)很強(qiáng)大計(jì)算器?？纯串?dāng)年這么強(qiáng)大的計(jì)算器，引發(fā)了沃茲的個(gè)人電腦構(gòu)想，才有了蘋果的誕生。
這個(gè)電腦的輸入設(shè)備是什么呢？就是看到的那個(gè)銀色的小旋鈕，可以上下扳的那種，代表輸入的0或1, 輸出設(shè)備是什么呢？就是這些漂亮的小紅燈。
神奇不，據(jù)說(shuō)當(dāng)時(shí)推出的時(shí)候，只要397美元，不是9999，也不是999，是397，你沒有聽錯(cuò)，就是美元，這樣的低價(jià)，這么強(qiáng)大的功能， 我勒個(gè)去！
邏輯門的概念
關(guān)于上述的運(yùn)算器，怎么開始實(shí)現(xiàn)呢？這個(gè)需要從最簡(jiǎn)單的邏輯門開始。
在學(xué)習(xí)數(shù)字電路這門課的時(shí)候，老師上來(lái)就講邏輯函數(shù)，畫卡諾圖什么的，主要就是怎么對(duì)付考試，實(shí)際上真正有趣的東西好像基本上就沒講，還是在某次做實(shí)習(xí)的才發(fā)現(xiàn)這個(gè)東東確實(shí)非常有趣，可以通過(guò)自己接線，來(lái)按照你自已的意圖進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，可惜的是一學(xué)期就讓上了一次實(shí)驗(yàn)課?！，F(xiàn)在大學(xué)教育確實(shí)有點(diǎn)那啥。。盡整高大上，也不怎么接地氣。算了，扯遠(yuǎn)了，還是回來(lái)吧。
關(guān)于邏輯門的基本概念還是介紹一下，這個(gè)東西還是需要理解的。
邏輯運(yùn)算又稱布爾運(yùn)算，無(wú)論是輸入還是輸出，都只有0和1，用來(lái)表示兩個(gè)對(duì)立的邏輯狀態(tài)。用來(lái)執(zhí)行與、或、非這三種最基本邏輯運(yùn)算的元件稱為與、或、非門。在圖中左側(cè)是輸入的信號(hào)，右側(cè)是輸出的信號(hào)，對(duì)于邏輯門元件來(lái)說(shuō)，必須有輸入和輸出，可以是一對(duì)一，也可以是多對(duì)多。
非門：執(zhí)行的是“非”的操作，一個(gè)輸入信號(hào)和一個(gè)輸出，對(duì)于輸入的數(shù)據(jù)，取該數(shù)據(jù)的相反數(shù)據(jù)。
以下的幾張物理實(shí)現(xiàn)的示意圖是丹尼爾.希利斯在他的書《通靈芯片》里面提到的用彈簧和本桿實(shí)現(xiàn)的與 或 非門，假如把木桿往前視為1，往回視回0，從該圖可以看到，當(dāng)輸入為前時(shí)，輸出則為后，輸入為后時(shí)，則輸出為前，實(shí)現(xiàn)了非門的邏輯。
或門：執(zhí)行的是“或”的操作，兩個(gè)輸入信號(hào)和一個(gè)輸出，對(duì)于兩個(gè)輸入x和y，當(dāng)x或y只要其中一個(gè)為1時(shí)，輸出就為1。
同樣，在這個(gè)物理實(shí)現(xiàn)的或門上，可以看到無(wú)論哪個(gè)輸入是往前，那么輸出都會(huì)往前。
與門：執(zhí)行的是“與”的操作，兩個(gè)輸入信號(hào)和一個(gè)輸出，對(duì)于兩個(gè)輸入x和y，只有x與y都為1時(shí)，輸出才為1。和或門的圖標(biāo)相比，左邊的輸入線是直的。
這個(gè)與門的實(shí)現(xiàn)，你自已就得好好看看了。
通過(guò)這三種基本的邏輯門，就可以實(shí)現(xiàn)所有的邏輯運(yùn)算，進(jìn)而在上面構(gòu)造出一整套的計(jì)算。沒錯(cuò)，計(jì)算機(jī)的本質(zhì)就是上述提到的與門、或門、非門等等各種門，只要實(shí)現(xiàn)了類似的功能，把成千上萬(wàn)個(gè)這些東西連接在一起，任何東西都能夠做成一臺(tái)計(jì)算機(jī)。木頭，水泵，塑料，卡子，只要能夠完成基本邏輯門的功能，任何東西都能夠制成計(jì)算機(jī)。
我們的征途，從這里開始。
從加法開始
上面說(shuō)的邏輯門聽起來(lái)圖森破的樣子，或許你會(huì)懷疑這些簡(jiǎn)單的邏輯門能夠做什么事情，接下來(lái)我們看看邏輯門怎么實(shí)現(xiàn)基本的計(jì)算功能。
與我們平常支持0 到9 的十進(jìn)制計(jì)算不同。因?yàn)檎麄€(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只有0 和1兩個(gè)數(shù)，所以這樣的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只能夠支持0 和1 的二進(jìn)制計(jì)算，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里面，所有的計(jì)算都需要轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制。十進(jìn)制與二進(jìn)制的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系如表所示。(話說(shuō)當(dāng)初萊布尼茲，沒錯(cuò)就是微積分里面那個(gè)，發(fā)明二進(jìn)制運(yùn)算的時(shí)候，)
舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如實(shí)現(xiàn)2 + 3 = 5 這樣的計(jì)算，在二進(jìn)制加法中規(guī)則是：1和0相加得1，1和 相加需要往前進(jìn)一位，得10。二進(jìn)制和十進(jìn)制的基本操作過(guò)程是一樣的，例子是一個(gè)2+3=5的二二進(jìn)制計(jì)算示例。
為了實(shí)現(xiàn)上述計(jì)算功能，需要首先實(shí)現(xiàn)半加器，通過(guò)半加器實(shí)現(xiàn)全加器，再通過(guò)三個(gè)全加器的連接，就能夠形成支持上述計(jì)算的一個(gè)三位加法器了。
半加器（Half Adder）：如圖所示，對(duì)于給定的輸入a 和b（它們都只能取0或者1），通過(guò)一個(gè)或門、兩個(gè)與門、一個(gè)非門（圖中小圓點(diǎn)）的組合，可以對(duì)兩個(gè)位進(jìn)行加法并形成進(jìn)位。（sum表示求和結(jié)果，carry表示進(jìn)位）?
全加器（Full Adder）：如圖所示，通過(guò)兩個(gè)半加器和一個(gè)或門的組合，形成了一個(gè)全加器。與半加器相比，全加器在輸入上多了一個(gè)接收的進(jìn)位，可以把從低位進(jìn)位而來(lái)的數(shù)據(jù)納入到計(jì)算中，將從低位計(jì)算產(chǎn)生的進(jìn)位也加在一起。（其中x、y 表示兩數(shù)相加，c 表示接收低位的進(jìn)位）。全加器的輸入和輸出過(guò)程見表3-3。
全加器的輸入和輸出表
三位加法器：通過(guò)三個(gè)全加器的組合，就形成了一個(gè)三位加法器。該加法器可以把從低位相加產(chǎn)生的進(jìn)位依次傳遞到高位，可以實(shí)現(xiàn)任意三位的二進(jìn)制數(shù)的加法，即可以實(shí)現(xiàn)上述例子中的計(jì)算。
依次把進(jìn)位傳到下一個(gè)全加器。同理，我們可以通過(guò)任意位的加法器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于較長(zhǎng)二進(jìn)制數(shù)的計(jì)算。盡管我們只介紹了加法運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)，實(shí)際上數(shù)學(xué)家已經(jīng)證明，加法是實(shí)現(xiàn)所有數(shù)學(xué)運(yùn)算的基礎(chǔ)。有了加法器，原則上就能通過(guò)它們搭建任何其他計(jì)算，像乘法、除法、平方、開方、三角函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)等。
而另外一個(gè)大牛圖靈在一百年前（好像還不到一百年，當(dāng)年年輕的圖靈躺在劍橋國(guó)王學(xué)校前草坪上開始在腦子里面構(gòu)想這些東西的時(shí)候，好像是三十年代，那是一個(gè)科學(xué)和恐怖主義都極度興盛的時(shí)代啊）就已經(jīng)指明，這些簡(jiǎn)單運(yùn)算足以支撐任何信息處理過(guò)程。
這個(gè)事情看起來(lái)似乎太扯了，搞這么一個(gè)東西，從邏輯門開始，要拼這么多東西，才能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)8（2的3次方）以內(nèi)的加法運(yùn)算。但是這個(gè)東西的牛X之處在于，簡(jiǎn)單的東西是可以連接在一起變成復(fù)雜的東西。兩個(gè)算盤連在一起只是一個(gè)更長(zhǎng)的算盤，而這些邏輯門連在一起，可以構(gòu)成復(fù)雜的計(jì)算世界。而且可以體積很小，大規(guī)模的疊加。這也是現(xiàn)在整個(gè)時(shí)代的秩序運(yùn)行的基礎(chǔ)，如果一旦發(fā)生了像劉慈欣在《球狀閃電》里面描述的那個(gè)宏中子爆炸引起的效果，那無(wú)數(shù)的低頭一族將會(huì)全部崩潰（或許我們的世界能夠因此更美好？）
整體實(shí)現(xiàn)
OK，OK，加法有了，ALU就搞定了嗎？很抱歉，還差點(diǎn)，不過(guò)差得不多了。
加法器是最核心的部分，但是我們還差一些別的東西，現(xiàn)在再看下我們需要實(shí)現(xiàn)的計(jì)算指令：
在這里面，除了x+y，還有對(duì)x和y取反， 還有與（&）和或（|），沒有提x-y關(guān)于這里面的設(shè)計(jì)，有一個(gè)東西是必不可少的，就是多路選擇器，
這個(gè)東東實(shí)現(xiàn)的的功能就是根據(jù)sel位的控制，判斷輸出的時(shí)候，選擇a或者b中的哪一個(gè)，這個(gè)東西當(dāng)然也是由基本的與或非門組成的。而且這個(gè)東西也可以擴(kuò)展，比如a和b可以是多位的，在咱們要用的cpu里面，選擇的是16位的，而且這個(gè)sel可以是兩位或者更多，可以選擇從四個(gè)或者8個(gè)輸入里面選擇指定的一個(gè)作為輸出。 當(dāng)然，也有反過(guò)來(lái)選擇器 ，根據(jù)sel位判斷對(duì)于輸入的in，從給定的A和B哪個(gè)輸出口進(jìn)行輸出。
針對(duì)上面提到的這些運(yùn)算指令，可以有無(wú)數(shù)中實(shí)現(xiàn)方法，這個(gè)圖給出的是實(shí)現(xiàn)方法之一：
在這個(gè)圖里面用了好幾個(gè)busmux16，就是指的一個(gè)16位選擇器， 用到了一個(gè)16位的加法器，Adder16,然后就是眾多的與或非門。
含有計(jì)算指令表的計(jì)算器有了，接下來(lái)干什么呢， 且聽下回分曉。
