十四、傳輸門

　　下圖所示的傳輸門的作用是：當(dāng)左邊的“~1G”端輸入為0時，左側(cè)的1A4、1A3、1A2、1A1會直接傳輸?shù)接覀?cè)對應(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，左側(cè)的1A4、1A3、1A2、1A1都不能傳輸?shù)接覀?cè)對應(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關(guān)的開閉，輸入和輸出電路上的燈泡是如何變化的。每個圖上都有（http://bitzhuwei.cnblogs.com）標(biāo)識我的博客地址，不過每個GIF圖的最后一幀都去掉了這個標(biāo)識。這樣，看到一幀沒有標(biāo)識的時候，就知道下一幀將是GIF圖的第一幀了。

　　傳輸門的原理很簡單，就是在每個1A*到1Y*之間的連線上放個繼電器而已，如下圖所示。（取自《穿》）

　　十五、寄存器

　　在上一篇已經(jīng)說明了寄存器的原理，這里僅僅是為了說明“74LS194”這個帶有各種無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”就是一個簡單的四位寄存器了。（本人在multisim12.0里只找到了這個靠譜的四位寄存器，湊合用吧。）

　　十六、數(shù)值顯示器

　　為了更直觀地看到CPU的運算結(jié)果，我們將使用“DCD_HEX”這個東西。它能夠把輸入的“0101”顯示為“5”，把“1010”顯示為“A”。

　　本文還要用一個四位的加法器，直接在下面這個簡陋的CPU里看就好了，不再單獨展示。

　　十七、回到頂部（go to top）

　　一個簡陋的CPU現(xiàn)在一切就緒，可以開始設(shè)計CPU了！

　　CPU包括運算器和控制器兩部分。我們首先做出運算器，然后逐步實現(xiàn)控制器，最后感受一下用機器語言編程的過程。本文實現(xiàn)的CPU雖然功能及其簡陋，但是能夠傳達出當(dāng)前真實CPU的原理。

　　十八、運算器和手動控制器

　　現(xiàn)在我們要做的這個CPU，字長是4位，只能做兩個數(shù)的加法。實現(xiàn)了運算器和手動版的控制器的CPU如下圖所示。我們把這個版本稱為version1的CPU。

　　上圖中，“Add”是加法器，能執(zhí)行兩個4位數(shù)的加法運算。“RA”和“TR”是寄存器，“GAA”和“GBA”是傳輸門。“4”“3”“2”“1”用來準(zhǔn)備需要相加的數(shù)據(jù)（0到15），“KTR”“KRA”“KGA”“KGB”是用來控制傳輸門通斷和寄存器脈沖的開關(guān)。

　　在上圖所示的GIF動畫中，顯示了“5+1+2+4”這個過程。這個過程可以分為4個步驟：①加載一個數(shù)值（Load）；②加上一個數(shù)值（Add）；③加上一個數(shù)值（Add）；④加上一個數(shù)值（Add）。具體來說，每一個步驟要做的事情是：

　　十九、指令內(nèi)容

　　加載一個數(shù)（Load）準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（0101）; KGB↓， KGA↑; KRA↓↑

　　加一個數(shù)（Add）準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（0001）; KGB↓， KGA↑; KTR↓↑; KGA↓， KGB↑; KRA↓↑

　　加一個數(shù)（Add）準(zhǔn)備數(shù)據(jù)（0002）; KGB↓， KGA↑; KTR↓↑; KGA↓， KGB↑; KRA↓↑

　　加一個數(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（搬動開關(guān)）是一樣的，規(guī)律性極強。這意味著可以用簡化的方式控制“KTR”“KRA”“KGA”“KGB”這幾個開關(guān)的狀態(tài)。經(jīng)過簡化的CPU就有一定的自動化控制的性質(zhì)了，如下圖所示。我們把這個版本的CPU稱為version2的CPU。

　　Verison2要比剛才的verison1進化了一些。為便于理解，我們保留原來的“KTR”“KRA”“KGA”“KGB”這四個開關(guān)（把它們挪到了右上角，因為實在沒地方放了），但讓它們永遠保持閉合的狀態(tài)。這是想說明：version2里新增的電路只是實現(xiàn)了更加自動化地控制“KTR”“KRA”“KGA”“KGB”的開閉，它沒有改變version1中電路的工作流程。

　　Version2中的“KLoad”和“KAdd”開關(guān)分別代表了“Load”和“Add”這兩個指令。當(dāng)“KLoad”閉合時，表示CPU要進行加載操作，這會把“4”“3”“2”“1”上的數(shù)據(jù)存入寄存器“RA”；當(dāng)“KAdd”閉合時，表示CPU要進行相加操作，這會把“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)果又存儲到“RA”。

　　Version2中的“K0”和“K1”兩個開關(guān)會依次的開閉，即兩者總有一個是斷開且另一個是閉合的（若出現(xiàn)其它情況那就是電路設(shè)計錯了）。所以實際上“K0”和“K1”可以用一個“2位循環(huán)移位寄存器”代替。（為便于理解，仍然保留“K0”和“K1”這兩個開關(guān)，只不過讓它們永遠保持閉合的狀態(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。

　　這需要一點點設(shè)計邏輯電路的知識，本文直接列出真值表，據(jù)此即可畫出轉(zhuǎn)換電路。（想知道如何推導(dǎo)的話，請查閱《穿》或者數(shù)字電路類書籍）

　　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了。

　　舉個例子，“KGA”=“KLoad”“~KAdd”“K0”“~K1” + “~KLoad”“KAdd”“K0”“~K1”=（“KLoad” ⊕“KAdd”）“K0”“~K1”，據(jù)此可以畫出“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)行哪個指令、要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)是多少，這都是沒有規(guī)律的，可改進的方法就是：把指令和數(shù)據(jù)按順序保存到一些特別的寄存器里，需要的時候取出來用。這些特別的寄存器，就是內(nèi)存。