穿越计算机的迷雾

GPT摘要

文章摘要： 文章从基础的电信号表达数字开始，逐步揭示了现代计算机的基本原理。主要包含以下内容： 1. 数字表达与二进制：电压直接表示数字（如1V代表1）不精确，转而采用二进制（开关状态表示0和1），并介绍二进制加法器的实现逻辑（逐位计算，进位传递）。 2. 电与磁的转换：电能生磁（用于莫尔斯电报和继电器远距传输），磁也能生电（实现话筒和扬声器的声电转换）。交流电因其易产生、易变压和低损耗成为电力传输主流。 3. 逻辑门与电路设计：介绍与、或、非、异或等基本逻辑门，通过组合门电路实现加法器、寄存器等核心组件，逐步构建运算器。 4. 存储技术演进：从继电器到晶体管，再到DRAM（电容存储）和SRAM（触发器存储），以及现代硬盘和固态存储的原理。 5. 计算机核心架构： - 寄存器与总线：存储中间数据，通过总线控制实现数据流通。 - 控制器与指令集：解析指令，协调运算器和存储器的操作，自动化执行流程。 - 存储器层次：包括高速缓存（SRAM）、内存（DRAM）和外存（磁盘、固态硬盘）。 6. 扩展技术：如流水线提升CPU效率，中断机制处理输入输出请求，以及程序计数器和地址寄存器的协同工作。 最终，通过振荡器替代手动操作实现全自动计算，完成从简单电路到通用计算机的演进。

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

image-20230511152444206image-20230511152733412

  • 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))

image-20230511151739600

image-20230511172429980

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

image-20230511163751743image-20230511164109382

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

image-20230511165325821

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

image-20230511165731250image-20230511170247155

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

image-20230511170310516

​ 串联： 二进制计数器，计算上升沿的数量

image-20230511172102638

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

image-20230511190342020

2.为了实现连续计算，加法器的输出要直接接到输入

image-20230511190457135

​ 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

image-20230511190610102

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

image-20230511190438862

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

image-20230511195305178

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

image-20230511195839855

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)

image-20230511193329800

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)

image-20230511193502167

封装一下：输入：地址引线 RW ， 输出n个bit

image-20230511193521662

磁芯

W：不同的电流方向导致不同的磁场方向

image-20230511193659896

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

image-20230511193820128

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

image-20230511201809307

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

image-20230511202034724

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

image-20230511202615465

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

image-20230511203156283

image-20230511203046934

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

image-20230511203602817

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

image-20230512122031198

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

image-20230512125603868

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