從觸發器到簡單計算機系統

19年的筆記，上傳一下(●’?’●)，參考書籍如下

高等教育出版社《數字電子技識訓礎（ 第六版 ） 》 閻石

電子工業出版社《編碼：隱匿在計算機背后的語言》 佩挫

一個可編程的完整微處理系統其本質上還是從觸發器開始，慢慢向上構建而成，

觸發器到鎖存器

上圖為一個電平D型觸發器（又稱D型鎖存器），當Write端置為高電平時，輸出Do將被置為與Di相同的狀態，

試想一下，如果我們需要找些什么東西用來存放一些數字，很自然地，我們使用剛剛介紹過的D觸發器組成下面的結構，我們稱之為8位鎖存器，顯然，我們找到了可以有效存放數字的容器（雖然是二進制數字），（tips：因為這個圖畫起來肥腸麻煩，所以就有了簡化版）

鎖存器到RAM

就是長這樣~

可以注意到上圖中的小框寫了 8x1 RAM 的字樣，實際上，由于框選擇器和譯碼器具有相同的地址埠，譯碼器將決定其中的哪一個D觸發器能夠接收資料輸入；而選擇器將決定輸出其中哪一個D觸發器的資料，經過這種配置下的鎖存器的的確確可以視作為Random Access Memory，即RAM，(上面的這個存盤器就是一個能夠儲存8個獨立位元組的RAM)

因此還可以進行重復組合（妙呀🛫)

經過上面的操作后，可以看到新的RAM可儲存的數任然是8個，但是每個數的位寬變為了2，

繼續套娃
容量不夠咋辦，加譯碼器啊！(媽媽再也不用擔心.jpg)比如上方的例子中，4個256X8的RAM通過2-4譯碼器連接后，我們得到了一個1024X8的RAM，它可以儲存8192位元的資訊，其中，每8個位元一組，共1024組，因此，從計算機組成的角度來講，這個RAM陣列的容量為1024個位元組，也就是1KB（kilobyte）；
（注：由于圖片搜尋自網路，不配套的情況在所難免，上方中的左圖輸入輸出復用同一根線，而通過CLK時鐘線來區別讀/寫，右圖中的輸入與輸出線是分立的，）

帶RAM的加法器

在數字電子技術的學習程序中，我們都接觸過一種由邏輯門電路構成的加法器，事實上，正是加法器構成了CPU的基本運算單元（組成CPU的兩個基本單元是運算器和加法器），現在，我們將結合RAM對我們的運算器進一步優化直至組成一個完整的微處理器，

上面是我用畫圖軟體畫的一個簡易加法器的框圖，它使用了振蕩器，計數器，和我們剛剛組成的RAM還有一個加法器以及用作輸出顯示8只LED燈，當然了，它看起來不是那么的好用，(不過它是有重要意義的，具體可看計算機發展史早期的計算機的系統結構…）

讓我們來看看它是怎么作業的吧：

1. 首先，想要使用它，必須先將清零信號置1，這樣的目的是清除8位鎖存器的內容并將16位計數器的輸出（RAM接收的地址）置為0000h，接下來，你可以從控制端輸入你需要累加的數，假設你需要累加100個數字，那么這些數將可以從0000h一直存放到0063h，接下來令清零信號置0，電路開始作業，
2. 顯然，每當一個時鐘信號后，8位鎖存器都會輸出當前的值給LED顯示；同時，加法器又接收到當前的值等待下一個時鐘信號的到來，
3. 這個電路一個巨大缺陷是我們沒有辦法使它自行停下來，在剛才的例子中，如果電路累加完了100個數之后，你可以通過8只LED以二進制方式讀取運算結果，但前提是時鐘信號足夠慢，一旦計數器達到FFFFh后，它會重新回到0000h，可以想見的是，加法器會把剛才加過的數重新加一遍，
4. 除此之外，這個電路只能進行加法運算，并且要求RAM中存放的數不能超過255，且運算的結果也不能超過255，如果要求減法運算（用補數代替負數），那么運算范圍將進一步被限制在-128-127之間，而且，這個電路不能保存計算的結果，因為最終的輸出并沒有回到RAM中，為了解決這些問題，我們把輸出的LED指示去掉，將輸出回接到RAM，

帶RAM的加法器改進版

改進后的電路如下圖所示(圖片來自《編碼：隱匿在計算機背后的語言》)

事實上，這個電路仍沒有很好的解決剛才的問題，舉例來說，如果我們要想計算3B3D112Dh和2A3D9CA1h的和，由于一個位元組中只能存放8位資料，我們需要把3BCD11HDh拆成3Bh、3Dh，11h和2Dh四個數，同時被加數也需要被拆成四個數，由于16計數器將順序尋址，因此，一個可行的方案是下面這樣：
如表所示，在電路作業前按表格中的格式在RAM中預先填入好資料，待電路作業后，我們會在0002h中得到最高兩位的結果，不過此時需要外置電路要將8位鎖存器的值清零（這可通過一些基本的邏輯門電路實作），以免后續發生累加，以此類推，我們可以得到運算的結果，和最開始的加法運算電路一樣，這個電路也不能自行停止且當兩數相加發生進位時會導致運算出錯，而且引出了新的問題：我們運算的結果被分配到了不同的地址位上，以至于我們沒法讀取它們，

使用代碼的加法器

那咋搞呢？(?ω?)
咳咳，我想上面的表格是不是給了你一點思路，如果你曾看到過匯編代碼的形式的話，
事實上，為了解決上面的問題，一種使用代碼的機器誕生了，它是怎么誕生的，以及為什么誕生，這就得提到馮·諾依曼（John von Neumann，1903年12月28日-1957年2月8日）
詞條戳這-> 約翰·馮·諾依曼.

美籍匈牙利科學家馮·諾依曼最先提出程式存盤的思想，并成功將其運用在計算機的設計之中，根據這一原理制造的計算機被稱為馮·諾依曼結構計算機，由于他對現代計算機技術的突出貢獻，因此馮·諾依曼又被稱為“現代計算機之父”，

這里還是使用《編碼：隱匿在計算機背后的語言》中的圖片形式（用畫圖軟體畫的）

如圖所示，新的計算器在原來的基礎上增加了1片RAM用來存放代碼，我們省略了加法器以及一些外圍邏輯電路，這樣可以使圖更加清晰易懂，在新的設備中，計數器用來加載代碼，而我們的代碼由3位元組的8位二進制陣列成（2位16進制），其中，第一個位元組用來存放代碼本身；第二個位元組用來存放地址的高八位；第三個位元組用來存放地址的低八位，
以11HDh和112Dh為例，新的機器將像這樣執行他們的相加程序，不過在開始之前，我們需要規定一下我們的代碼，比如我們規定01h為將資料裝入累加器；02h為將累加器上資料填入到RAM；11h為加法；12h為進位加法，假設11HDh按照低位到高位存放在1000h處，112Dh也按照低位到高位存放在2000h處，如果代碼從1000h處開始，那么，下面演示如何將它們相加并保存至3000h處，

//1             							
1000h：01h     	//把1001h處的資料裝入累加器	（低位）					
1001h：10
1002h：01h                              
//2
1003h：11h		//累加器加上2001h處的資料	                   
1004h：20  
1005h：01h  
//3             
1006h：02h 		//取出累加器的資料保存到3001h		
1007h：30 
1008h：01h 
//4
1009h：01h		//把1000h處的資料裝入累加器	（高位）
1010h：10
1011h：00h
//5
1012h：12h		//累加器進位加上2000h處的資料（進位來自上次運算）
1013h：20
1014h：00h
//6
1015h：02h		//取出累加器的資料保存到3000h
1016h：30
1017h：00h

至此，我們完成了11HDh和112Dh的加法運算并將結果保存至第二片RAM的3000h處，但這種代碼實在不是給人讀的，所以我們考慮使用貼近人類語言的方式重新描述它，當我們需要使用時，再將其翻譯成機器碼送入處理端，這也就是匯編語言的由來，

書中給出了上表這些操作碼，其中借位減法原理同進位加法類似，關于halt指令和jump指令，正是這兩個指令讓新的設備可以與前述的加法器有了本質的區別，因為在它們的幫助下我們可以實作回圈、跳轉和判斷，而加法器不能，
Halt將停止計數器的計數，我們可以通過在計數器的時鐘信號附加邏輯門電路實作，
jump指令則可以通過計數器的預置實作，條件跳轉則需要附加相應的邏輯門電路，

下面演示如何編碼讓機器進行乘法運算(書上的例子)
假設需要計算A7h和1Ch的乘積，使其在地址這樣放置：

那么使用書上的操作碼實作乘法的程序應該是這樣的~(:—

000h: Load  		 	1005h 			//裝載預結果的低位到累加器
	  Add   		 	1001h			//加上被乘數的低位
 	  Store  		 	1005h			//保存到預結果到1005h
	  Load   		 	1004h			//裝載預結果的高位到累加器
	  Add with carry 	1000h			//進位加上被乘數的高位（進位來自低位運算）
	  Store  		 	1004h			//保存到預結果到1004h
	  Load  		 	1003h			//裝載乘數
	  Add   		 	001Eh			//加上001Eh的資料（實際相當于減一）
	  Store  		 	1003h			//保存乘數減一的值
	  Jump if not zero  1000h			//若累加器的輸出不全為0，則跳轉到000h繼續執行
001Eh:Halt（FFh）			  			//停止

在上面的所有的例子中，我們一直使用機器碼或者英文短語來描述機器操作，這也被稱作編碼（coding）或編程（writing program），
但是，沒有人希望使用上面的語言進行實際的操作，于是，匯編語言（assembly language）出現了，不過，匯編語言仍是面向機器的語言，很難從其代碼上理解程式設計意圖，設計出來的程式不易被移植，故不像其他大多數的高級計算機語言一樣被廣泛應用，所以在高級語言高度發展的今天，它通常被用在底層，通常是程式優化或硬體操作的場合，

通常還把除硬體系統之外的其余層稱為虛擬機，各層次之間關系密切，上層是下層的拓展，下層是上層的基礎，各層次之間的劃分也不是絕對的，(唐朔飛 《計算機組成原理》）

總結

至此，我們完成了一個微處理系統中的處理器和RAM部分，但是搭建一個完整的系統還需要外設（peripheral）也就是各種輸入設備和輸出設備（input device&output device），而所有這些器件的通信就通過總線（Bus）實作，通常把這信號分為5類：

1. 資料總線（Data Bus）：在CPU與RAM之間來回傳送需要處理或是需要儲存的資料，
2. 地址總線（Address Bus）：用來指定在RAM之中儲存的資料的地址，
3. 控制總線（Control Bus）：將微處理器控制單元（Control Unit）的信號，傳送到周邊設備，
4. 擴展總線（Expansion Bus）：外部設備和計算機主機進行資料通信的總線，例如ISA總線，PCI總線，
5. 區域總線（Local Bus）：取代更高速資料傳輸的擴展總線

學習總線，除了認識到總線的基本分類和總線傳輸的基本原理外，還可以給我們閱讀一些芯片相關檔案提供幫助，方便我們快速了解一款產品具有那些功能和外設，從而快速開發，比如下面這塊典型的MCU（STM32F103xx增強型）的結構框圖：

更具體的總線內容就不放在這里了

結束

byebye~