从锁存器到简单计算机系统(备忘自用）
从触发器到简单计算机系统
19年的笔记，上传一下(●’◡’●)，参考书籍如下
高等教育出版社《数字电子技术基础（ 第六版 ） 》 阎石
电子工业出版社《编码：隐匿在计算机背后的语言》 佩挫
一个可编程的完整微处理系统其本质上还是从触发器开始，慢慢向上构建而成。
触发器到锁存器
上图为一个电平D型触发器（又称D型锁存器）。当Write端置为高电平时，输出Do将被置为与Di相同的状态。
试想一下，如果我们需要找些什么东西用来存放一些数字，很自然地，我们使用刚刚介绍过的D触发器组成下面的结构，我们称之为8位锁存器。显然，我们找到了可以有效存放数字的容器（虽然是二进制数字）。（tips：因为这个图画起来肥肠麻烦，所以就有了简化版）
锁存器到RAM
就是长这样~
可以注意到上图中的小框写了 8x1 RAM 的字样。实际上，由于框选择器和译码器具有相同的地址端口，译码器将决定其中的哪一个D触发器能够接收数据输入；而选择器将决定输出其中哪一个D触发器的数据。经过这种配置下的锁存器的的确确可以视作为Random Access Memory，即RAM。(上面的这个存储器就是一个能够储存8个独立字节的RAM)
因此还可以进行重复组合（妙呀)
经过上面的操作后，可以看到新的RAM可储存的数任然是8个，但是每个数的位宽变为了2。
继续套娃
容量不够咋办，加译码器啊！(妈妈再也不用担心.jpg)比如上方的例子中，4个256X8的RAM通过2-4译码器连接后，我们得到了一个1024X8的RAM，它可以储存8192比特的信息，其中，每8个比特一组，共1024组。因此，从计算机组成的角度来讲，这个RAM阵列的容量为1024个字节，也就是1KB（kilobyte）；
（注：由于图片搜寻自网络，不配套的情况在所难免。上方中的左图输入输出复用同一根线，而通过CLK时钟线来区别读/写。右图中的输入与输出线是分立的。）
带RAM的加法器
在数字电子技术的学习过程中，我们都接触过一种由逻辑门电路构成的加法器。事实上，正是加法器构成了CPU的基本运算单元（组成CPU的两个基本单元是运算器和加法器）。现在，我们将结合RAM对我们的运算器进一步优化直至组成一个完整的微处理器。
上面是我用画图软件画的一个简易加法器的框图。它使用了振荡器，计数器，和我们刚刚组成的RAM还有一个加法器以及用作输出显示8只LED灯。当然了，它看起来不是那么的好用。(不过它是有重要意义的，具体可看计算机发展史早期的计算机的系统结构…）
让我们来看看它是怎么工作的吧：
- 首先，想要使用它，必须先将清零信号置1。这样的目的是清除8位锁存器的内容并将16位计数器的输出（RAM接收的地址）置为0000h。接下来，你可以从控制端输入你需要累加的数。假设你需要累加100个数字，那么这些数将可以从0000h一直存放到0063h。接下来令清零信号置0，电路开始工作。
- 显然，每当一个时钟信号后，8位锁存器都会输出当前的值给LED显示；同时，加法器又接收到当前的值等待下一个时钟信号的到来。
- 这个电路一个巨大缺陷是我们没有办法使它自行停下来。在刚才的例子中，如果电路累加完了100个数之后，你可以通过8只LED以二进制方式读取运算结果。但前提是时钟信号足够慢，一旦计数器达到FFFFh后，它会重新回到0000h，可以想见的是，加法器会把刚才加过的数重新加一遍。
- 除此之外，这个电路只能进行加法运算。并且要求RAM中存放的数不能超过255，且运算的结果也不能超过255。如果要求减法运算（用补数代替负数），那么运算范围将进一步被限制在-128-127之间。而且，这个电路不能保存计算的结果，因为最终的输出并没有回到RAM中。为了解决这些问题，我们把输出的LED指示去掉，将输出回接到RAM。
带RAM的加法器改进版
改进后的电路如下图所示(图片来自《编码：隐匿在计算机背后的语言》)
事实上，这个电路仍没有很好的解决刚才的问题。举例来说，如果我们要想计算3B3D112Dh和2A3D9CA1h的和。由于一个字节中只能存放8位数据，我们需要把3BCD11HDh拆成3Bh、3Dh，11h和2Dh四个数，同时被加数也需要被拆成四个数。由于16计数器将顺序寻址。因此，一个可行的方案是下面这样：
如表所示，在电路工作前按表格中的格式在RAM中预先填入好数据。待电路工作后，我们会在0002h中得到最高两位的结果，不过此时需要外置电路要将8位锁存器的值清零（这可通过一些基本的逻辑门电路实现），以免后续发生累加。以此类推，我们可以得到运算的结果。和最开始的加法运算电路一样，这个电路也不能自行停止且当两数相加发生进位时会导致运算出错。而且引出了新的问题：我们运算的结果被分配到了不同的地址位上，以至于我们没法读取它们。
使用代码的加法器
那咋搞呢？(ಡωಡ)
咳咳，我想上面的表格是不是给了你一点思路，如果你曾看到过汇编代码的形式的话。
事实上，为了解决上面的问题，一种使用代码的机器诞生了，它是怎么诞生的，以及为什么诞生，这就得提到冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12月28日-1957年2月8日）
词条戳这-> 约翰·冯·诺依曼.
美籍匈牙利科学家冯·诺依曼最先提出程序存储的思想，并成功将其运用在计算机的设计之中，根据这一原理制造的计算机被称为冯·诺依曼结构计算机。由于他对现代计算机技术的突出贡献，因此冯·诺依曼又被称为“现代计算机之父”。
这里还是使用《编码：隐匿在计算机背后的语言》中的图片形式（用画图软件画的）
如图所示，新的计算器在原来的基础上增加了1片RAM用来存放代码，我们省略了加法器以及一些外围逻辑电路，这样可以使图更加清晰易懂。在新的设备中，计数器用来加载代码，而我们的代码由3字节的8位二进制数组成（2位16进制）。其中，第一个字节用来存放代码本身；第二个字节用来存放地址的高八位；第三个字节用来存放地址的低八位。
以11HDh和112Dh为例，新的机器将像这样执行他们的相加过程。不过在开始之前，我们需要规定一下我们的代码。比如我们规定01h为将数据装入累加器；02h为将累加器上数据填入到RAM；11h为加法；12h为进位加法。假设11HDh按照低位到高位存放在1000h处，112Dh也按照低位到高位存放在2000h处。如果代码从1000h处开始，那么，下面演示如何将它们相加并保存至3000h处。
//1
1000h：01h //把1001h处的数据装入累加器 （低位）
1001h：10
1002h：01h
//2
1003h：11h //累加器加上2001h处的数据
1004h：20
1005h：01h
//3
1006h：02h //取出累加器的数据保存到3001h
1007h：30
1008h：01h
//4
1009h：01h //把1000h处的数据装入累加器 （高位）
1010h：10
1011h：00h
//5
1012h：12h //累加器进位加上2000h处的数据（进位来自上次运算）
1013h：20
1014h：00h
//6
1015h：02h //取出累加器的数据保存到3000h
1016h：30
1017h：00h
至此，我们完成了11HDh和112Dh的加法运算并将结果保存至第二片RAM的3000h处。但这种代码实在不是给人读的，所以我们考虑使用贴近人类语言的方式重新描述它，当我们需要使用时，再将其翻译成机器码送入处理端，这也就是汇编语言的由来。
| 操作码 | 代码 |
|---|---|
| Load | 10h |
| Store | 11h |
| Add | 20h |
| Add with carry | 22h |
| Subtract | 21h |
| Subtract with borrow | 23h |
| Jump if zero | 30h |
| Jump if carry 31h | |
| Jump if no zero | 32h |
| Jump if no carry | 33h |
| Halt | FFh |
书中给出了上表这些操作码，其中借位减法原理同进位加法类似。关于halt指令和jump指令，正是这两个指令让新的设备可以与前述的加法器有了本质的区别，因为在它们的帮助下我们可以实现循环、跳转和判断。而加法器不能。
Halt将停止计数器的计数，我们可以通过在计数器的时钟信号附加逻辑门电路实现。
jump指令则可以通过计数器的预置实现，条件跳转则需要附加相应的逻辑门电路。
下面演示如何编码让机器进行乘法运算(书上的例子)
假设需要计算A7h和1Ch的乘积，使其在地址这样放置：
那么使用书上的操作码实现乘法的过程应该是这样的~(:—
000h: Load 1005h //装载预结果的低位到累加器
Add 1001h //加上被乘数的低位
Store 1005h //保存到预结果到1005h
Load 1004h //装载预结果的高位到累加器
Add with carry 1000h //进位加上被乘数的高位（进位来自低位运算）
Store 1004h //保存到预结果到1004h
Load 1003h //装载乘数
Add 001Eh //加上001Eh的数据（实际相当于减一）
Store 1003h //保存乘数减一的值
Jump if not zero 1000h //若累加器的输出不全为0，则跳转到000h继续执行
001Eh:Halt（FFh） //停止
在上面的所有的例子中，我们一直使用机器码或者英文短语来描述机器操作，这也被称作编码（coding）或编程（writing program）。
但是，没有人希望使用上面的语言进行实际的操作，于是，汇编语言（assembly language）出现了，不过，汇编语言仍是面向机器的语言，很难从其代码上理解程序设计意图，设计出来的程序不易被移植，故不像其他大多数的高级计算机语言一样被广泛应用。所以在高级语言高度发展的今天，它通常被用在底层，通常是程序优化或硬件操作的场合。
通常还把除硬件系统之外的其余层称为虚拟机，各层次之间关系密切，上层是下层的拓展，下层是上层的基础，各层次之间的划分也不是绝对的。(唐朔飞 《计算机组成原理》）
总结
至此，我们完成了一个微处理系统中的处理器和RAM部分，但是搭建一个完整的系统还需要外设（peripheral）也就是各种输入设备和输出设备（input device&output device）。而所有这些器件的通信就通过总线（Bus）实现。通常把这信号分为5类：
- 数据总线（Data Bus）：在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。
- 地址总线（Address Bus）：用来指定在RAM之中储存的数据的地址。
- 控制总线（Control Bus）：将微处理器控制单元（Control Unit）的信号，传送到周边设备。
- 扩展总线（Expansion Bus）：外部设备和计算机主机进行数据通信的总线，例如ISA总线，PCI总线。
- 局部总线（Local Bus）：取代更高速数据传输的扩展总线
学习总线，除了认识到总线的基本分类和总线传输的基本原理外，还可以给我们阅读一些芯片相关文档提供帮助，方便我们快速了解一款产品具有那些功能和外设，从而快速开发。比如下面这块典型的MCU（STM32F103xx增强型）的结构框图：
更具体的总线内容就不放在这里了
结束
byebye~