“冯诺依曼结构”计算机的proteus仿真及编程的初体验

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   “冯诺依曼结构”计算机的proteus仿真及编程的初体验(链接)

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       沈从文笔下的边城，风景优美，故事凄婉。世间若有双全法, 不负亲人不负卿。

       沈从文很早就写了《边城》，所以我觉得他是中国第一个“程序员”

       编程的意思是：构思故事，然后用语言编写出故事的发展过程。

       

       本文大致分为三个部分：

“冯诺依曼结构”简介

自制简易计算机及机器语言编程

汇编语言和高级语言编程

        

一. “冯诺依曼结构”简介
       程序员每天做的事情，就是不停地给计算机喂食，喂的是0和1组成的串。如下是我们的第一个程序，体会下编程的感觉：

000000000000000100000010000000110000010000000101

       这是机器语言程序，具体功能是计算1+2+3+4+5，这个程序可以运行在我们本文自制的简单计算机上，其中0和1所在的位置，不能出错。既然程序需要运行在硬件电路上，所以我们得关注硬件电路，还是从冯诺依曼说起吧。

       冯诺依曼，被称为现代计算机之父，关于他的生平，一篇文章讲不完，故直接省略。只说一句：1903年，冯诺依曼出生在匈牙利的布达佩斯，就是在这里，刘诗雯今年首次获得了世乒赛单打冠军，十年磨一剑，真的不容易。

       冯诺依曼设计了一种计算机结构---“冯诺依曼结构”，它是现代计算机的基础， 其最基本的原理是：程序存储。

       简单看下现代计算机的组成，其中红色的五个部分就是“冯诺依曼结构”的五大部件：

       在很长一段时间内，总是搞不清楚一些基本的概念和原理， 比如什么是硬件? 硬件内部是怎样运行的？什么是软件？软件在哪里？软件究竟是怎样在硬件上跑起来的？硬件究竟是怎样执行软件的？本文会逐一给出答案。

       在本文中，我们将用proteus仿真一台简单计算机，从电路的角度理解计算机的工作原理，并给这台计算机编写程序，体会编程的感觉，体会硬件和软件之间的相互作用。

       先来看前面文章留下来的问题：自动连续加法器的实现。当时的尝试都失败了，原因是：缺少合适的器件，导致电路死循环。失败的电路图如下(gif帧率是1桢/秒，所以感觉变化不快，但实际很快)：

       为了解决自动连续加法的问题，我们用proteus制作了一台最原始的计算机，其功能单一，先来一睹芳容：

       这就是一台自制的简单计算机，其组成部件和“冯诺依曼结构”基本对应，如下表所示：

冯诺依曼结构

自制计算机

CPU运算器

U3加法器

CPU控制器

U1计数器

U4触发器

U5非门

时钟信号

存储器

U2存储器

输入设备

不涉及

(因为输入内容已提前存放于U2中)

输出设备

数码管显示器

       我们还得亲自制作上述五大器件。其中，加法器、非门和数码管显示器，我们都已经介绍并使用过，其他器件暂时还没有接触过。

二. 自制简易计算机及机器语言编程

       首先看如下电路， 其特殊之处在于：U3的输出作为U2的输入，U4的输出作为U1的输入。真不知道是谁没事干，去尝试这样连接电路。但从结果来看，是挺有意思的：

       很容易分析出下表逻辑关系：

S

R

Q

Q’

1

0

1

0

0

1

0

1

0

0

保持

保持

1

1

0

0

       有三点值得注意：

       a. 当S=0,R=0时，对或门没有任何贡献，所以不会对电路产生影响。此时，Q和Q'是相反的关系，必有一个为0，另一个为1.

       b. 当S=1,R=1时(这种输入并没有错)，Q和Q'都为0，我们对这种情况不感兴趣，所以可以忽略它，故约定S和R不能同时为1。有很多书总是说：S=1,R=1是非法输入，这真是搞笑啊，是不符合要求的输入还是违法的输入？都不是。

       c. 不考虑S=1,R=1这种输入组合时，Q和Q'总是相反的。

      上图这个电路，叫RS锁存器。注意，有的书上并不区分锁存器和触发器这两个概念，其实，准确地讲：电平触发的叫锁存器(latch)，上升沿/下降沿触发的叫触发器(flipflop)。

       根据约定，RS锁存器的两个输入端不能都为1，我们完全可以多加几个器件来达到这个控制目的，下图中R和S输出端的值永远不可能同时为1：

        来分析上图中的电路： 

       a. 当E=0时，无论D怎么变， 经历R和S两个与门后，R和S的输出端总是0， 所以Q和Q'总是保持原状。

       b. 当E=1时，经历R和S两个与门时，R和S输出端的值完全取决于D, 显然有Q=D.

      可以看出：E是一个控制者的角色，只有当E=1时，D的值才会保存到Q上。而当E=0时,  无论D怎么折腾，Q总是无动于衷。E是老大，官大一级压死人。所以，把E叫使能端， 把D叫数据端。

       上图这个电路，叫D锁存器，仅在E端允许时，完成锁存。

       继续来看一个更有趣的电路，把两个D锁存器串在一起， 如下图：

        来分析一下这个电路： 

       a. 上下两个D锁存器的使能端是相反的，所以，无论控制开关E是0还是1， 上下两个D锁存器必然有一个无效，导致不能把D数据保存到Q端。

       b. 当E从1变为0时，下面的D锁存器无效，因此也不能把D数据锁存到Q端。

       c. 当E从0变为1时，下面的D锁存器生效，上面的D锁存器无效，但U4的输出端之前已经获取了D端的数据， 所以趁着下面的D锁存器的生效，把U4输出端的数据保存到Q端。因此，整体看来，当E从0变化到1时，能把D数据锁存到Q端。这种锁存，只在信号发生0到1的跳变瞬间，所以叫上升沿触发锁存。

       上图中的电路，叫D触发器，仅在上升沿触发时有效。

       可是，这个D触发器有点复杂，我们来抽象一下，直接使用封装好的D触发器，如下图，可以看到：当且仅当E从0变到1时，才把D保存到Q。

      用E开关提供上升沿，需要手动掰弄开关，非常麻烦。能不能搞一个自动上升沿呢？当然可以。我们引入时钟信号，它不停地在0和1之间做变换，从而产生上升沿。时钟信号很简单，直接看图：

     曾经在知乎上看到这样一个问题：为什么CPU需要时钟才能工作？

       这个问题很好回答, 从两个方面来看：

       a. 计算机的理论模型是图灵机，而图灵机是有限状态机，需要有时钟信号驱动状态变化。

       b. 计算机中的数据需要按先后步骤进行保存和更新，以上述触发器为例，需要有上升沿信号来触发，所以需要时钟信号。

      D触发器只能触发保存1位二进制，我们可以直接用封装好的74175芯片实现4位二进制的保存，如下图：

      

      利用D触发器，可以制作其他器件，比如下图中所示的计数器：

       这个电路图很好分析。时钟周期是1秒，也就是说，每秒会有一个上升沿信号输入到U1的CLK端，于是U1的Q端就会每秒在0和1之间跳动一次，显然U1的Q'也是每秒在0和1之间跳动一次。也就是说，对于U2的CLK而言，遇到一次上升沿需要2秒，因此U2的Q在0和1之间跳动1次需要2秒，看下表：

第n秒

U1

U2

U3

U4

U4U3U2U1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

2

0

1

0

0

2

3

1

1

0

0

3

4

0

0

1

0

4

5

1

0

1

0

5

6

0

1

1

0

6

7

1

1

1

0

7

8

0

0

0

1

8

9

1

0

0

1

9

10

0

1

0

1

A

11

1

1

0

1

B

12

0

0

1

1

C

13

1

0

1

1

D

14

0

1

1

1

E

15

1

1

1

1

F

       一目了然，U1的Q变化最频繁，U2的Q变化不频繁，U3的Q变化更不频繁，U4的Q最懒惰。很显然，上述电路是一个计数器，从0到F,  一个一个地计数。

      现在对上述自制的计数器进行抽象，直接使用封装好的计数器，静图如下：

       计数器很重要，若要不断地从存储中取出程序或数据，就得靠它了。所以，很多时候，计数器被用作程序计数器，即Program Counter.

       好的，到此为止，我们制作并使用过计数器、加法器、触发器、时钟信号、非门以及数码管显示器，但还剩下存储器没有制作出来，不要着急，制作存储器是我们后续文章要专门讲述的内容，暂时先直接使用存储器。

       把上述器件组装在一起，形成一台完整的计算机，如下图所示：

       这台简单计算机的电路图硬件都搭建好了,  软件在哪里呢？软件就是程序，包括指令和数据。我们把软件程序存放在存储器U2中，其中存放的程序内容是：

000000000000000100000010000000110000010000000101

        其功能是：计算1+2+3+4+5

       这台计算机工作过程的动图如下(感觉动图中的器件很模糊，大家可以对照上面的静图一起看)：

       可以看到：1+2+3+4+5=FH=15

       现在最大的疑问是：为什么上面那段程序表示1+2+3+4+5呢？计算机电路又是如何执行程序的呢？我们来仔细分析一下。

       U2存储器中的程序是：

000000000000000100000010000000110000010000000101

       这个程序不直观，为便于阅读，我们来分割一下：

00000000
00000001
00000010
00000011
00000100
00000101

       可以看到，第一行是0， 第二行是1， 第三行是2， 第四行是3， 第五行是4， 第六行是5. 

       存储器U2的输入端和输出端对应的关系如下(注意：由于我们计算的数值不大，所以不需要用到A7A6A5A4和D7D6D5D4)：

U2输入端

A3A2A1A0

U2输出端

D3D2D1D0

其具体内容与我们写的程序有关

0000

0000

0001

0001

0010

0010

0011

0011

0100

0100

0101

0101

       U2存储器左边的U1刚好是计数器，从0一直数到F,  因此，当计数器数到3时，U2输入端刚好就是3，而U2此处存储的数据刚好就是3.

       我们对照上面的动图，整体理解一下计算机电路图的执行流程：

        第1步：

       开始，U1的输出值0，左边数码管显示0，U2输出值为0，U3加法器的输出值0，U4的输出值是0，右边数码管显示0.

       第2步：

      时钟信号经历上升沿，U1开始计数到1，U2输出值为1，左边数码管显示1，U3加法器的输出值还是1， 但U4没有经历上升沿，故U4的输出值是0，右边数码管显示0.

        第3步：

       时钟信号经历下降沿，U1保持在1，U2输出值为1，左边数码管显示1，U3加法器的输出值还是1， U4刚好经历上升沿，故U4的输出值是1，右边数码管显示1.     

       还有很多步骤没有列出，我们把所有步骤放到表格中：

时钟信号

U1输出

U2输出

U3输出

U4输出

0

0

0

0

0

上升沿

1

1

1

0

下降沿

1

1

1

1

上升沿

2

2

3

1

下降沿

2

2

3

3

上升沿

3

3

6

3

下降沿

3

3

6

6

上升沿

4

4

A

6

下降沿

4

4

A

A

上升沿

5

5

F

A

下降沿

5

5

F

F

       对照电路图看表格，一目了然。可以看到，由于引入了U4触发器来保存数据，电路再也不会出现之前文章中遇到的死循环了。到此为止，我们的连续加法器终于实现了。

      而且，这个连续加法器是自动的，这完全是因为有了时钟信号，它不断地制造上升沿，触发着计数器往前走，去存储器获取程序(指令和数据)，也触发着把U3加法器输出端的值安全地保存到U4的输出端，让它再次输入到U3参与计算。如果没有时钟信号，我们还要去一个开关一个开关地掰弄，去构造上升沿来控制电路。烦就一个字，我只说一次。

       在进行proteus仿真时，时钟信号的频率是1Hz, 也就是周期是1秒，信号为0的时间占0.5秒， 信号为1的时间占0.5秒， 1秒之内有1个上升沿和一个下降沿。我把时钟的频率调快到10Hz，发现连续加法的计算时间也变快了10倍，这是因为：时钟信号的频率快了，上升沿的次数就更频繁了，自然能更快地迫使其他器件上的值进行变化。

       我们来看如下的Intel CPU芯片，其主频是3.6GHz，这就是它的时钟频率，它每秒产生几十亿次上升沿/下降沿信息，迫使着其他器件快速变化。一般来说，在其他指标一样时，主频越大，计算机CPU的运算速度就越快，应该很容易理解这一点。

       电路是硬件，存储在U2中的信息是软件。我们买到手机(手机也是计算机)后，基本不会对硬件进行变化，但经常安装或者卸载其中的软件，而正是不同的软件, 使得手机有不同的功能。

       在不改变上述电路硬件的情况下， 我们可在U2中装入不同的软件，从而实现不同的功能。比如，我们写一个新程序：

00000000000000100000010000001000

        把程序塞到U2存储器中，重新让电路通电，呈现的结果如下：

       从动图中显而易见，这是在计算2+4+8=EH=14, 由此可见，不同的软件程序，实现了不同的功能。

三. 汇编语言和高级语言编程

      用0和1写出来的程序，叫机器语言程序，直接在硬件上运行，比起掰弄那些电路开关，已经是很大的进步了。 但是，如果一直用0和1来写程序，还不能出现一点点差错，未免太难受太憋屈了，谁受得了？

       一大串的0和1，太难懂了，它是机器世界的语言， 而人又有人的语言， 这两种语言是不相通的， 因此，我们需要探索出更好的编写程序的方法， 让人更轻松点。怎么办？

       我们回头看1+2+3+4+5的机器语言：

000000000000000100000010000000110000010000000101

       怎么降低人编写程序的难度呢？我们可以考虑这么写：

ORG  0000H
DB  00H
DB  01H
DB  02H
DB  03H
DB  04H
DB  05H
END

       这种语言叫汇编语言，看起来舒服多了。现在的问题是，需要一个工具把汇编语言转化为机器语言，这个转换的工具就叫汇编器， 如下图：

       现在编程就简单多了：先用汇编语言写程序，然后用汇编器这个工具，把汇编语言程序转化为机器语言程序。

       汇编语言解放了人，解放了生产力。自从有了你(汇编语言)，世界变得好美丽。

       如果要计算2+4+8，我们再也不用与0和1这种折磨人的机器语言打交道了，直接用汇编语言来写汇编程序，如下：

ORG  0000H
DB  00H
DB  02H
DB  04H
DB  08H
END

        经汇编器工具转换后，上述的汇编语言程序变为了机器语言程序，如下：

00000000000000100000010000001000

        然后，我们自制的计算机执行这段机器语言程序，得到的结果是14.

       可是，用汇编语言还是憋屈，不好理解，不近人情。于是乎，我们需要再次抽象，越抽象越接近事物的本质，而我们的本质诉求是计算加法。为了降低编程难度，我们再次优化编程方法，采用高级语言(如C/C++语言、Java语言等)来编写程序，如下：

int a=1+2+3+4+5;
printf("%d", a);

       这样就更加清晰了。然而，电路毕竟不认识这些高级语言，电路只认识高低电平，即1和0， 所以，也需要工具来对高级语言进行转换，如下图：

       

       我们从如下表格来看机器语言、汇编语言以及高级语言的对比。显然，用高级语言编程更容易更直观：

目的

机器语言

汇编语言

高级语言

计算

1+2+3+4+5

000000000000000100000010000000110000010000000101

ORG  0000H

       DB  00H

       DB  01H

       DB  02H

       DB  03H

       DB  04H

       DB  05H

END

int a=1+2+3+4+5;

printf("%d", a);

计算

2+4+8

00000000000000100000010000001000

ORG  0000H

       DB  00H

       DB  02H

       DB  04H

       DB  08H

END

int a=2+4+8;

printf("%d", a);

        这里有两点补充说明：

        a. 上述的汇编语言很简单，不涉及到指令，只涉及到数据存放的位置。有一些朋友可能觉得上述汇编语言的指令是伪指令，但没有关系，我们依然把它当汇编语言理解，并无副作用。而且经汇编器转换后，生成的机器代码，确实可以在我们制作的计算机上运行。

        b. 上述的高级语言，经通用的编译器和汇编器转换得到的机器语言程序，没法在我们自制的计算机上运行，必须经过特定的编译器才可以，我们无需对这种特殊的编译器做进一步了解，毕竟编译器只是个转换工具。

       我们已经从原始的掰弄开关来控制电路，上升到利用机器语言0和1来控制电路，然后上升到用汇编语言来控制电路，最后上升到利用高级语言来控制电路。一步一步地，我们从纷繁复杂的电路细节中解脱出来了，这是一个不断进行抽象、不断远离具体细节、不断接近事物本质的过程，从此，也站在更高的维度上看待和处理问题。就像公司的老板一样，不需要管太多底层的繁琐细节，只需要关注高层次的本质问题。

      本文快要接近尾声了， 我们来总结一下本文内容：

      首先，介绍了“冯诺依曼结构”计算机的大致组成，并总是想着体验一下编程的感觉。

      其次，为了构建一台计算机，我们一步一步地制作器件，包括RS锁存器、D锁存器、D触发器、4位D触发器、计数器和时钟信号， 并组装成了一台完整的计算机，然后编写了机器语言程序，从掰弄开关的物理底层操作中解脱出来，初步体会到了机器语言编程的感觉。

       最后，为了让人更轻易地编程，提升编程的效率，把人真正从底层的繁琐细节中解脱出来，我们介绍了汇编语言和高级语言，并终于体会到了各层语言编程的感觉。

       还剩一个问题，本文使用了存储器ROM, 而且没有做详细介绍，实际上，ROM是只读存储器(Read Only Memory), 其中的内容一旦固定后，就不太容易更改。存储器是非常重要的，尤其是在每天产生海量数据的现代社会。在后续文章中，我们会对存储器相关的内容做更多的介绍。

        不见不散