LXF162:CPU своими руками

Версия 05:41, 13 октября 2018

CPU свои­ми ру­ка­ми

Часть вто­рая

Еще два ком­по­нен­та элек­трон­но­го серд­ца ва­ше­го CPU: Джо­на­тан Ро­бертс под­во­дит вас на шаг бли­же к ра­бо­че­му про­цес­со­ру.

В LXF158 мы по­ка­за­ли вам, как по­стро­ить соб­ст­вен­ный ком­пь­ю­тер из ба­зо­вых элек­трон­ных бло­ков. По су­ти, мы из­го­то­ви­ли дво­ич­ный сум­ма­тор. Мы за­кон­чи­ли ста­тью, ска­зав, что соз­дан­ное на­ми — это еще да­ле­ко не на­стоя­щий ком­пь­ю­тер, и вам нуж­ны еще несколь­ко ком­понен­тов, пре­ж­де чем ва­ша ма­ши­на смо­жет пре­тен­до­вать на звание ком­пь­ю­те­ра.

В этой ста­тье мы рас­смот­рим дальней­шие ша­ги и пред­ста­вим вам еще несколь­ко ком­понен­тов, про­де­мон­ст­ри­ро­вав, как рас­ши­рить воз­мож­но­сти ва­ше­го сум­ма­то­ра до вы­полнения дру­гих дей­ст­вий (AND [И], XOR [ИСКЛ.ИЛИ] и NOT [ИЛИ]) и соз­дать це­пи па­мя­ти для хранения вво­да и вы­во­да.

Пе­ред чтением этой ста­тьи вам сто­ит про­честь пре­ды­ду­щую часть, что­бы осве­жить па­мять, по­сколь­ку мы ис­хо­дим из то­го, что вы с ней оз­на­ком­ле­ны. Ес­ли у вас нет эк­зем­п­ля­ра LXF158, вы смо­же­те най­ти PDF этой ста­тьи на дис­ке это­го ме­ся­ца.

Де­ко­дер

Пер­вый ком­понент, ко­то­рый мы рас­смот­рим – это де­ко­дер, или, точнее, линей­ный де­ко­дер. Он очень прост, но очень удо­бен в ра­бо­те и сам по се­бе, и де­ко­де­ры так­же ис­поль­зу­ют­ся в муль­ти­п­лек­со­рах – что ис­клю­чи­тель­но важ­но для осталь­ной час­ти на­шей ста­тьи.

По су­ти, все де­ко­де­ры по­зво­ля­ют сде­лать вы­бор из мно­же­ст­ва вы­хо­дов, ис­поль­зуя толь­ко по­ло­ви­ну вхо­дов. Бо­лее кон­крет­но – при един­ст­вен­ном вхо­де де­ко­дер по­зво­лит вам вы­би­рать ме­ж­ду дву­мя вы­хо­да­ми, два вхо­да обес­пе­чат вам вы­бор из че­ты­рех вы­хо­дов, и т. д. В слу­чае де­ко­де­ров мы го­во­рим не о вхо­де и вы­хо­де, а об ад­рес­ной линии и линии пе­ре­да­чи дан­ных. Таб­ли­ца ис­тин­но­сти для про­сто­го линей­но­го де­ко­де­ра 1-в-2 раз­ме­ще­на ниже, а схе­ма со­единений при­ве­де­на на рис. 1.

Рис. 1. На этой схе­ме вы ви­ди­те ли­ней­ный де­ко­дер 1-в-2 сле­ва и муль­ти­п­лек­сор 2-в-1 спра­ва. Ус­лов­ное обо­зна­че­ние ни­же — это встро­ен­ное пред­став­ле­ние KTechlab, где X0 и X1 — эк­ви­ва­лен­ты I0 и I1.

Как ви­ди­те, все очень про­сто. Ад­рес­ная линия раз­двое­на, и вход NOT раз­ме­щен на од­ном от­ветв­лении это­го раз­двоения. Та­ким об­ра­зом, толь­ко од­на из этих линий пе­ре­да­чи дан­ных мо­жет за один раз пе­ре­дать 1.

Муль­ти­п­лек­со­ры

Муль­ти­п­лек­сор по­до­бен де­ко­де­ру, но спо­со­бен на боль­шее. Вме­сто вы­бо­ра ме­ж­ду дву­мя линия­ми пе­ре­да­чи дан­ных, он ис­поль­зу­ет ад­рес­ную линию для вы­бо­ра ме­ж­ду дву­мя вхо­да­ми, и вы­бран­ная ве­ли­чи­на (0 или 1) бу­дет пе­ре­на­прав­ле­на на един­ст­вен­ную линию пе­ре­да­чи дан­ных.

Его таб­ли­ца ис­тин­но­сти приведена ниже, а его схе­му со­единений вы так­же мо­же­те уви­деть на рис. 1. На этой схе­ме вы ви­ди­те, что муль­ти­п­лек­сор – это про­сто рас­ши­рен­ный де­ко­дер.

Боль­ше ло­ги­ки

Рис. 2. АЛУ, ис­поль­зую­щее муль­ти­п­лек­со­ры для обес­пе­че­ния вы­бо­ра ме­ж­ду опе­ра­ция­ми.

Что­бы это про­де­мон­ст­ри­ро­вать, мы ском­биниру­ем наш пол­ный сум­ма­тор с про­шло­го раза с дру­ги­ми ло­ги­че­­ски­­ми схе­ма­ми (AND, OR и XOR), и ис­поль­зу­ем муль­ти­п­лек­сор для ука­зания опе­ра­ций, ко­то­рые тре­бу­ет­ся вы­полнить.

Пер­вое, что нуж­но сде­лать – соз­дать ло­ги­че­скую схе­му. Это про­сто, по­сколь­ку, что­бы вы­полнить AND для двух дво­ич­ных чи­сел, все, что вам нуж­но сде­лать – это со­единить ка­ж­дый из пер­вых би­тов с вхо­дом AND, вто­рые би­ты – с дру­гим, тре­тьи – с дру­гим, и так да­лее. То же вер­но и для опе­ра­ций OR и XOR. По­ка что мо­же­те оста­вить вы­хо­ды несо­единен­ны­ми.

При­смот­рев­шись внима­тельнее, вы смо­же­те уви­деть все это на рис. 2. Од­на­ко помните, что KTechlab не очень хо­ро­шо ра­бо­та­ет со слож­ны­ми схе­ма­ми, по­доб­ны­ми этой, и будь­те внима­тель­ны, ри­суя со­единения – про­ще все­го бу­дет пе­ре­вес­ти это в ре­жим Manual, вы­брав нуж­ную оп­цию под знач­ком с крас­ной руч­кой.

Сде­лав это, соз­дай­те че­ты­ре муль­ти­п­лек­со­ра, на­стро­ив дли­ну ад­ре­са ка­ж­до­го на два. Это мож­но сде­лать, щелк­нув по муль­ти­п­лек­со­ру, за­тем за­гля­нув в поя­вив­шую­ся панель спра­ва (Item Editor). По­лу­чит­ся муль­ти­п­лек­сор с че­тырь­мя вхо­да­ми, ме­ж­ду ко­то­ры­ми вы смо­же­те вы­би­рать, соз­да­вая раз­ные ком­би­на­ции двух ад­рес­ных линий.

Да­лее, со­едините пер­вый вход AND, вход OR, вход XOR и сум­ма­тор с пер­вым муль­ти­п­лек­со­ром, вто­рой вход – со вто­рым муль­ти­п­лек­со­ром, и так да­лее. За­тем со­едините ло­ги­че­­ские вы­во­ды с со­единением муль­ти­п­лек­со­ра, от­ме­чен­ным x, и, на­конец, при­сое­дините еще два ло­ги­че­­ских вво­да: один – ко всем A0, и дру­гой – ко всем A1 на муль­ти­п­лек­со­рах.

Все это по­ка­за­но на рис. 2, хо­тя вы мо­же­те так­же за­гру­зить схе­му с дис­ка – ALU.circuit – и рас­смот­реть ее хо­ро­шень­ко. Важ­ная под­сказ­ка: все долж­но быть вы­ровнено, по­то­му что начнет­ся боль­шая пу­таница, ес­ли би­ты од­но­го и дру­го­го вхо­дов пой­дут в раз­ном по­ряд­ке, а по­ря­док вы­ход­ных би­тов то­же ока­жет­ся дру­гим!

Рас­смот­рев схе­му по­бли­же, вы уви­ди­те ря­дом с ад­рес­ны­ми вхо­да­ми спи­сок зна­чений, на ко­то­рые они долж­ны быть на­строе­ны для вы­бо­ра раз­ных опе­ра­ций. В на­стоя­щем ком­пь­ю­те­ре это име­ну­ет­ся opcodes (со­кра­щение от «ко­ды опе­ра­ций»). Их нуж­но пе­ре­дать про­цес­со­ру, что­бы за­ста­вить его вы­полнить оп­ре­де­лен­ное дей­ст­вие. Ря­дом с ко­да­ми на­хо­дят­ся трех­бу­к­вен­ные опи­сания функ­ций – это мнемоника, для про­сто­ты за­по­ми­нания и че­ло­ве­ко-чи­тае­мо­го опи­сания то­го, что де­ла­ют раз­ные ко­ды. Ес­ли вы когда-нибудь пи­са­ли на язы­ке ас­семб­ле­ра, то это как раз и есть мнемониче­­ские зна­чения, ко­то­рые ком­пи­ля­то­ры ас­семб­ле­ра за­тем пре­вра­ща­ют в дво­ич­ные эк­ви­ва­лен­ты.

Вот та­ким об­ра­зом и соз­да­ет­ся схе­ма, ко­то­рую мож­но про­ин­ст­рук­ти­ро­вать на вы­полнение вся­ких опе­ра­ций. Од­на­ко на дан­ный мо­мент ввод в эту схе­му осу­ще­ст­в­ля­ет­ся непо­сред­ст­вен­но на­ми – мы вруч­ную на­страи­ва­ем ло­ги­че­­ский вход, а вы­ход яв­ля­ет со­бой ло­ги­че­­ские вы­во­ды, ко­то­рые вклю­ча­ют­ся и вы­клю­ча­ют­ся.

А ес­ли мы хо­тим, что­бы вы­ход не про­сто ис­че­зал, но пре­вра­щал­ся во вход сле­дую­ще­го уст­рой­ст­ва? Или ес­ли мы хо­тим за­про­грам­ми­ро­вать вхо­ды за­ранее?

Об­рат­ная связь

Что­бы это сде­лать, нам нуж­на па­мять, и имен­но это станет пред­ме­том осталь­ной час­ти на­шей ста­тьи. Но пре­ж­де чем пе­рей­ти к схе­мам па­мя­ти, начнем с рас­смот­рения по­ня­тия об­рат­ной свя­зи, ко­то­рая ле­жит в осно­ве схем па­мя­ти.

Возь­мем обыч­ный вен­тиль OR. На­помним его таб­ли­цу ис­тин­но­сти:

Дру­гие по­лез­ные опе­ра­ции

Мы ис­поль­зо­ва­ли AND, OR и XOR как при­ме­ры опе­ра­ций для рас­ши­рения на­ше­го сум­ма­то­ра, по­то­му что эти схе­мы про­сты в соз­дании. Но ес­ли вы ра­бо­тае­те с чис­ла­ми без зна­ка, то ло­ги­че­­ский сдвиг вле­во или впра­во мо­жет ока­зать­ся бо­лее ес­те­ст­вен­ным вы­бо­ром для рас­ши­рения на­ше­го сум­ма­то­ра.

Как и пред­по­ла­га­ет на­звание, ло­ги­че­­ский сдвиг вле­во сдви­га­ет все би­ты на од­ну по­зи­цию вле­во, а ло­ги­че­­ский сдвиг впра­во – на од­ну по­зи­цию впра­во. Бит, ко­то­рый вы­па­да­ет, по­те­рян на­всегда, а сво­бод­ное ме­сто, поя­вив­шее­ся в на­ча­ле, занима­ет 0.

Ес­ли чис­ло яв­ля­ет­ся без­зна­ко­вой пе­ре­мен­ной, эти опе­ра­ции име­ют эф­фект ум­но­жения (сдвиг вле­во) или де­ления (сдвиг впра­во) чис­ла на два. Это долж­но быть оче­вид­но, по­сколь­ку ка­ж­дая по­зи­ция име­ет вес в два раза боль­ший, чем по­зи­ция спра­ва от нее.

Сра­ба­ты­вание по пе­ре­па­ду сиг­на­ла

В соз­дан­ном на­ми триг­ге­ре за­держ­ки вход дей­ст­ву­ет, толь­ко когда пе­ре­клю­ча­тель enable уста­нов­лен на 1. Это пре­крас­но, но в ком­пь­ю­те­рах и в циф­ро­вой элек­тронике в це­лом удоб­ны схе­мы, ко­то­рые ак­ти­ви­ру­ет­ся за бо­лее ко­рот­кое вре­мя, то есть по­ка вход enable пе­ре­хо­дит из од­но­го со­стояния в дру­гое. Это по­зво­ля­ет соз­да­вать на­мно­го бо­лее чув­ст­ви­тель­ные схе­мы, с бо­лее тон­ким кон­тро­лем над ними. Когда схе­мы, по­доб­ные триг­ге­ру за­держ­ки, за­пуска­ют­ся во вре­мя пе­ре­бро­са вхо­да enable из 0 в 1, это на­зы­ва­ет­ся уже не триг­ге­ром, а муль­ти­виб­ра­то­ром. Мы го­во­рим о «сра­ба­ты­вании по пе­ре­па­ду сиг­на­ла [edge triggering]».

Быть мо­жет, это зву­чит чуть ли не мис­ти­че­­ски, но ес­ли вы пред­ста­ви­те се­бе гра­фик пря­мо­уголь­ной вол­ны, все станет яс­но. Когда линия вы­со­ко, то вход или вы­ход рав­ны 1; когда она низ­ко, это 0. В слу­чае с триг­ге­ром за­держ­ки вы­хо­ды по­вто­ря­ют вхо­ды все вре­мя, по­ка enable вы­со­ко. В слу­чае с муль­ти­виб­ра­то­ром, он бу­дет реа­ги­ро­вать толь­ко на од­но реб­ро пря­мо­уголь­но­го гра­фи­ка, об­ра­зо­ван­но­го тогда, когда вход enable пе­ре­хо­дит в соc­тояние 1.

Это не про­сто ин­те­рес­но, по­сколь­ку при ра­бо­те со встро­ен­ным D Flip-Flop от KTechlab вам нуж­но обес­пе­чить вклю­чение и вы­клю­чение так­то­во­го сиг­на­ла, что­бы он дей­ст­во­вал. Он сра­ба­ты­ва­ет при пе­ре­хо­де от вы­со­ко­го уров­ня к низ­ко­му, так что вам нуж­но уста­но­вить пе­ре­клю­ча­тель на 1 и сно­ва на 0, что­бы ак­ти­ви­ро­вать муль­ти­виб­ра­тор и за­ста­вить его со­хранить но­вую ве­ли­чи­ну.