十四、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*之間的連線上放個(gè)繼電器而已，如下圖所示。（取自《穿》）

　　十五、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。）

　　十六、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。

　　十七、回到頂部（go to top）

　　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。

　　十八、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?！癛A”和“TR”是寄存器，“GAA”和“GBA”是傳輸門(mén)?！?”“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：

　　十九、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，請(qǐng)查閱《穿》或者數(shù)字電路類(lèi)書(shū)籍）

　　KloadKaddK0K1KGAKRAKTRKGB

　　10101100

　　01101010

　　01010101

　　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。