穿越计算机的迷雾

bit入门

如何用电来表达一个数字：

  • 1v为1 、2v为2… 但难以计算到底是几v
  • 开关，0代表无 1代表有。二进制

如何对二进制实现加法

  • 对于每一位
    • 两个输入一个进位
    • 一个输出一个进位
  • 多位串联起来
    • 低位的进位传递给高位

电与磁

电能生磁，通过电流通断规律控制衔铁臂上下运动画出莫尔斯电报

​ 距离太远？继电器实现不同回路的继电

磁生电，线圈切割磁感线产生电流：话筒 声波->电流 扬声器 电流->声波 二者可以是同一个东西

为什么是交流电

  • 产生更容易，圆周运动
  • 通过变压器轻松实现升降压，而高压传输损耗更小

全加器

同门电路image-20230511153924305

与非image-20230511154215546

异或门

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  • 对全加器列出真值表，化简出逻辑表达式，并使用继电器构造出来，22个->18个 1940年计数器

    S = A ⊕ B ⊕ Cin

    Cout = (A B) + (Cin (A ⊕ B))

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至此我们得到了运算器

触发器

为了记录下1bit！！！(后面采用电容存储1bit(DARM 内存；晶体管做触发器SRAM cache))

二极管：加热的灯丝可以放出电子

三极管：中间增加一个栅极，可以截断或者放大

振荡器：把一个非门的输出接到输入

触发器：

​ 输出永远相反，而当输入只有一个1时，可以改变输出状态(输入期望也相反) 问题：我只想在想记录时记录

​ 输入S置为一后，Q一直会保持1，R(reset)可以将Q置零。都为1不稳定

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D触发器：

​ 增加一个控制端，实现1bit的保存。CP为1时，Q=D保存输入，CP为0时，忽略

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上升沿D触发器：

​ CP为上升信号时，触发保存。对于继电器，一次记录可能需要延时1s

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走马灯：移位寄存器

​ （移位寄存器）振荡器 + 循环连接的上升沿触发器，其中有一个1；每震荡一次1就传递给下一个。image-20230511170124003

寄存器：多个上升D

多个CP就可以构成寄存器存储数据

T触发器：

​ 反转

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​ 串联： 二进制计数器，计算上升沿的数量

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至此我们得到了寄存器，能够缓存一部分数据。

继电器 ->电子管 -> 晶体管 -> 集成电路

一连串加法

之前的加法器只能保证两个输入得到一个输出，但不能连续计算。结合寄存器优化！！

1.基本思想：使用寄存器保存值，一个数为直接输入，另一个为RA寄存器的值。加法器会实时计算两个输入的值

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2.为了实现连续计算，加法器的输出要直接接到输入

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​ 问题：共用一条线（总线）会冲突，需要添加控制实现轮流使用总线

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3.添加上总线控制GA，GB，总线控制是按住，而寄存器装载是上升沿按下松开

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10+3+2

第一步为装载，2~3为相加

  1. 扳出10（在实际中，取数也是一个自动操作 后面实现），按住GA，延时后按下RA，装载输入1的值为10
  2. 扳出3， 按住GA，这时候加法器已经得到了实时输出，按下TR，装载输出到寄存器
  3. 再按住GB，代表输出需要占用总线，数据传输到RA时按下RA装载结果，实现一次计算
  4. 重复2过程，扳出数字2…

4.添加一个控制器控制，列出真值表，即可得到控制器电路（K的状态相当于指令，控制器电路需要解析指令）。延时问题后面解决

  • 上面两个为模式，选择一个
  • 下面两个为当前模式下的操作，k0~x只有一个为1

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5.控制器优化，只使用一个控制

  1. 既然操作t只有一个为1，那么用循环移位寄存器RR实现

  2. 延时问题，我现在先让G(控制线先输出)，而数据寄存器R需要再按下开关时才触发

    松开开关代表切换操作，松开状态下数据参数门打开

    松开后再按下代表上一个数据已经传过来了，要用快点用，按下瞬间装载数据

    也就是松开实现模式切换，按下实现数据保存

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全自动加法

现在还需要手动将数据输入，能不能一次性全部输入：需要先存储 存储器！！

单bit存储：输入和输出共用一条线，通过信号控制输入还是输出，G就相当于总线控制(输出器)

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存储器

把多个bit连一起就可以组成一个大数（一行），多个数就可以组成存储器，需要地址译码器选择哪个数据(门牌号)

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封装一下：输入：地址引线 RW ， 输出n个bit

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磁芯

W：不同的电流方向导致不同的磁场方向

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R：写入一个0，如果原来是0，读出线上电压变化很小。如果原来是1，磁场变化导致读出线上感应电压大

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1949年10月21磁芯存储器专利

自动取数

需要一个计数器ACC，AR寄存计数器的值（地址寄存器），DR寄存数据（数据寄存器）

  1. 按下KAR锁存当前地址
  2. 按住KRD读取数据，同时按下KDR寄存数据
  3. 按下KAC实现地址增加

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同样使用一个循环移位1器和译码器实现上面的逻辑结构，至此按下三下即可取出一个数据到DR寄存器

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连接加法器

加法器包含2个操作，存储器包含三个，一共五个

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将相加还是装载添加到指令中，指令也是从存储器中取，指令通过EC解析后，翻译出当前的任务，反过来影响译码器，也就是告诉计算机进行的下一步操作。IR + EC + 译码器相当于是控制器

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现代的指令中，数据可以直接包含在指令中。原来的AC更像是现代中的PC指针，指向指令的位置

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最后，把手动按下K换成一个振荡器，即可实现全自动。需要添加一个中止指令，代表程序结束了

如何处理进位？额外产生一个进位标志来影响控制器

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现代计算机

SRAM：使用晶体管构建触发器，形成存储器，SRAM，但太贵了6个晶体管一个bit，只用来做cache

DRAM：使用电容和晶体三极管，2ms刷新一次DRAM，做内存

ROM：一开始只读，然后可擦除。U盘、固态硬盘

外存：磁芯 —> 磁盘(机械硬盘 磁头+ 磁道 + 扇区) —> 固态硬盘

流水线：充分利用CPU和内存，错开执行 取指 译码 运算 写回操作

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IO设备

CPU从哪里读取数据：IO接口

什么时候去读：CPU不知道IO接口到底有没有数据

  • 不停的读：CPU不能干别的事情了
  • 定时询问
  • 中断：中断向量号表示谁请求了中断，再根据中断向量表转到相应中断处理逻辑