嵌入式技术之从零搭建计算机
第 1 章 数字电路基础
1.1 二进制数据表达
文字 用0 1表示文字信息
图片 分为多个像素，一个像素对应一个色块（24位；3字节）对应3原色 ——透明度占1个字节，只有png图片有透明度该选项，其他图片都是
声音
视频
1.2 数电基础
① 基础逻辑门电路
需要记住：口诀、符号、表达式！
1. 非门
口诀：输出与输入相反
2. 与门
口诀：有0出0，全1出1
3. 或门
口诀：有1出1，全0出0
② 其他门电路
需要记住：口诀、符号！
1. 异或门
口诀：相同出0，相异出1
2. 与非门
口诀：有0出1，全1出0
3. 或非门
口诀：有1出0，全0出1
4. 异或非门
口诀：相同出1，相异出0
③ 运算器
1. 半加器
2. 1位加法器
3. 4位加法器
Digital自带的加法器组件：
菜单 -> 组件 -> 运算器 -> 加法器
加法器内部都是使用二进制数加
半加法器：只考虑往前进位，不考虑后面数是否有进位
eg： 1 0 为1；1 1 为 0，0 1为 1，0 0 才为 0 ——异或进位：1 0 为 0；0 0 为0，0 1为 0，1 1才为 1 ——与
总结：异或门 + 与门（进位的值）
一位加法器：需要考虑进位，（自己两数相加的进位 以及 后面两数相加的进位）
eg：110 + 101，在半加器的基础上，推测进位情况
下一位的相加情况：异或
进位：后一位需要进位的数 + 进位的数； 0 0 为0；1 0 为 1；0 1 为 1；1 1 为 0 ——异或
顺次的下一个进位：0 1 为1
总结：2个 半加法器 + 异或门 \或门都行
④ 锁存器和触发器
1. SR锁存器 ——（置位、 复位）
S`=1,R1`=1 状态不改变
S`=0,R1`=1 置位，Q=1
S`=1,R1`=0 复位，Q=0
S`=0,R1`=0 无意义
2. D锁存器 ——控制是否允许存储
en信号控制是否允许存储
D输入：Q输出的状态 与 D输入 一致
3. D触发器 （作用：同频，防止外界干扰） ——在时钟上沿【存储1bit数据】
使用两个D锁存器
在上升沿触发，允许存储
存在内置的D触发器组件！
⑤ 寄存器（Reg） ——在时钟上沿存储多个 bit数据（以4bit寄存器为例）
存几个bit的数据就 集合 几个D触发器
1. 使用4个D触发器实现了 4bit 寄存器
有内置寄存器组件!
第 2 章 计算机组成原理
3.1 冯诺依曼模型
1. 控制器（控制单元，又名缩写CU） ——Control Unit
2. 计算逻辑单元（ALU、运算器）
3. 存储器 ——分为内存（运行内存）、外存（磁盘）
4. 输入/输出系统
3.2 计算机组成
① 中央处理器（CPU）
1. 控制器（CU）
2. 运算器（ALU）
3. 寄存器（Reg）
包括：数据寄存器、指令寄存器、程序计数器(PC)
② 主存储器（内存）
RAM： 随机存取存储区，特点：断电丢失，可读可写
ROM： 只读储存器，特点：断电不丢失，只读
③ 三大总线
控制总线
地址总线
数据总线
④ 程序周期
每个机器周期： 取指令、译码、执行
流水线
第 3 章 设计计算机硬件
3.1 实现一个ALU
1. 复用器的使用 ——为了判断输出哪种结果（输出Q会跟随sel来决定是取输入A还是输入B）
2. 16位ALU的实现：
加法器、减法器、与、或
3.2 使用ALU和寄存器完成算术计算
——多个数字的运算，需要有寄存器存储数字
使用寄存器存储上一步的计算结果，再作为下一步的输入（作为ALU的A输入）
ALU的B输入是手动
3.3 数据存储器
——存储数据及结果 都是在数据存储器中
自定义一个内存：
1. 38译码器 功能：译码（3位编码译为8位编码） ——通过3位的数据来控制8个内存地址。
2. 使用寄存器实现一个内存
str（set-reset）（输入）控制信号、ld（输出）控制信号 ——（驱动器就相当于一个继电器模块）
str：控制输入，ld：控制输出
3. 内置的内存组件（EEPROM）
将内存接入当前的计算机系统
1. 程序计数器 （从内存中取数据） ——（Program counter简称PC）
功能：计数（通过PC取地址），判断进入哪一轮运算
2. 使用内置组件 EEPROM 实现了一个数据内存
注：输出显示Z 表示该情况不确定，容易被干扰
3.4 指令存储器
——使用了 Reg、ROM、ALU、PC
1. 添加一块内存用于存储指令，存储ALU的Sel信号
2. 指令内存与数据内存，一一对应（使用分裂器）
3. PC同时控制取指令和取数据
3.5 其他控制指令
数据位数 与 指令位数
1、数据位数（每个单元存储的数有几位（bit））、地址位数（有几个（种）单元并转换为2进制数，一位二进制数表示2个单元）：
eg：
1、指令存储：存储 加（00）、减（01）、与（10）、或（11）——括号内为每个指令的数字表示
数字位数有2个——数据位数：2，有4种指令也就是有（2²种指令）——地址位数：2
输出的一般是数据，按数据位数计算2、给出的bit数较多，需要的bit数少 ——使用分裂器（分裂期从左到右，先低位再高位）
① halt 信号位和停止指令
1. 把指令的最高位作为 halt 信号位（终止信号位）
2. 添加一条停止指令，该指令的 halt 信号是【0】， 其他指令 halt 信号位是1
3. 修改 指令内存 输出的分离器，将halt信号取出，与时钟做与运算
停止只是存储停止了，ALU没有影响
由于数据存储 ld初始值是1，所以会直接把第一个数值给ALU
② str 信号位和存储指令
1. 存储指令，用于将计算结果存入数据内存
2. 分配了 str 信号位，1表示数据内存允许写入，只有存储指令的str信号位是1，其他指令的str信号位是0
③ ld 信号位、sel_b 信号位
1. ld 信号控制数据内存是否允许输出， 存储指令和停止指令的ld信号位是0
2. sel_b 信号控制ALU的B端使用哪个输入，0表示使用数据内存获取的数据，1表示使用默认常数0
④ sel_a 信号位 和 ld_a 指令
连续计算多个表达式，后面表达式的第一个数如果用 加 指令，会把寄存器中的数（上一次的计算结果）加到一块。
1. ld_a 指定， 用于加载表达式的第一个数，内存中取出什么数，ALU算完还是什么数；控制ALU的A端输入是0。
2. sel_a 信号位，控制ALU的A端输入，0表示获取寄存器中的数，1表示获取默认值0；ld_a指令的 sel_a信号位是1
⑤ jmp跳转： en_pc信号位、en_jmp信号位、en_a 信号位、jmp指令
1. 修改程序计数器，添加addr输入，和jmp输入，变为可跳转的程序计数器
2. 添加了 en_pc 信号位，控制PC是否允许计数，目前，除了停止指令，所有的指令该信号位是1
3. 添加 en_jmp 信号位，控制PC是否允许跳转，1表示允许跳转
4. 添加 jmp 跳转指令，该指令的 en_jmp 信号位是 1
5. 添加 en_a 信号位，控制是否写入A寄存器， jmp 指令的 en_a 信号位是 0
（由于数据内存中读取的是jmp跳转的地址，所以不需要写入寄存器）
⑥ je有条件跳转：en_je 信号
1. 改造ALU，可以判等
2. 添加比较寄存器
3. 分配 en_je 信号位，控制有条件跳转
en_je是1 并且 比较寄存器中也是1，PC才能跳转
4. 添加je指令，en_je信号位是1，en_jmp信号位是0
- 说明：
- 分割器输出：先低位再高位
- PC设置为通用组件，对应的命令：this.Bits = args.Bits ; ——(java语言)
3.6 控制器
① 5 位opcode
——指令的编号
将已有的指令进行 编号 ，使用5bit的二进制数字表示
最多可以表示32条指令
00000 ld_a
00001 add
00010 sub
...
② 控制器
输入：5位的opcode
输出：13（2,2,2,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1）个控制信号
——相当于译码
核心：查找表（LUT） ——输入端口数为：opcode
.hex文件可以导入查找表中
② Qcmp 输入
需求：
- en_jmp 信号和 en_je 信号合并为一个跳转信号 ld_pc
- je指令是否跳转交给控制器判断，如果上一步两个操作数相等，je指令的 ld_pc 信号位是 1； 如果上一步两个操作数不相等，je指令的 ld_pc 信号位是 0；
- jmp指令，不论上一步两个操作数是否相等，ld_pc 信号位都是 1
1. 控制器增加 Qcmp 输入
2. 控制器中的查找表输入6bit，最高位是Qcmp，低5位是opcode ——可以有32种
3. 修改查找表
根据Qcmp是0还是1，决定 je 指令的 ld_pc信号位是 0 还是 1
4. 删除 en_je 信号位，修改 en_jmp 信号位为 ld_pc
5. 总电路中，直接将 ld_pc 信号接入 PC 的跳转使能
注：Qcmp的（0/1）两种结果，指令内存可以对应两部分：一个是Qcmp全是0——对应的；一个是Qcmp全是1——对应的
（jmp的ld_pc的信号位都为1，je是两数相等的时候才为1）
3.8 两块内容合并为一块
① 操作码（opcode）和操作数
内存数据两种类型：
指令类型： 5位操作码（opcode）+11位操作数（地址opaddr）
数据类型： 16位的数据
② 取指令和执行指令
取指令： 将指令（opcode+地址 组合形式）取出来放在指令寄存器，PC计数
执行指令：从指令寄存器中取出，opcode给控制器得到16位指令，地址给内存取数据， PC不计数
③ 添加11位地址的内存并添加数据
1. 将PC改为 11 位
2. 添加一块内存，地址11位，数据16位
3. 将原来的指令内存和数据内存删掉
4. 将数据添加到内存中
④ 添加指令寄存器
1. 添加指令寄存器，数据位数16
2. 内存输出D作为指令寄存器的输入， en信号控制是否允许写入（只有取指令阶段才允许写入）
3. 输出地址分两部分，高5位是opcode给控制器，低11位是数据地址，给内存
4. 内存地址输入，从PC产生的地址和指令寄存器给出的地址中选一个 （取指令阶段使用PC的地址，执行指令阶段使用指令寄存器给出的地址， en_pc在取指令阶段为1，执行指令阶段为0）
⑤ 分配信号控制位 en_cmp、en_addr
en_cmp 比较寄存器的输入使能， 10位置
en_addr 指令寄存器的输入使能， 13位置
⑥ 控制器改造
1. state=0 取指令阶段
信号控制位，不会受到Qcmp和opcode的影响，所有控制信号位都相同
halt:1
en_addr:1 允许指令寄存器写入
ld:1 允许内存输出 ——当其为高阻态时，输出随机数——（所以使用了）sel_b
en_pc: 1 允许PC计数
sel_b: 01 ALU B端默认输入0
sel_a: 01 ALU A端默认输入0
其他控制器都是0
2. state=1 执行指令阶段
en_addr: 0 不允许指令寄存器写入
en_pc: 0 PC不计数
3. 设置查找表最高位是 state 输入，随着时钟在0和1之间来回切换
4. 修改控制器的输出标签名：en_cmp（比较-寄存器）、 en_addr（地址-pc）
5. 重新编辑查找表
⑦ 跳转
1. 给PC的 addr 输入结束 opaddr（要跳转到的指令地址）信号
jmp 指令的后面不是数据地址，而是要跳转到的指令地址（直接数，不需像其他指令一样从内存中再获取了）
2. 修改PC电路
在执行指令阶段，en_pc 信号都是0，PC无法跳转
增加或门，实现 ld_pc（对应跳转信号jmp、je）如果是1，即使en_pc是0，也能跳转
注：跳转：指令jmp——（addr-opaddr）——pc
整个cpu：iROM 与控制器，状态都是从0开始
3.9 添加立即数
——优点：计算效率高，缺点：存放的数最大只能为 2的11次方
1. 立即数形式： opcode+立即数（11位） ——一共16位
传统形式： opcode+地址
2. 添加立即数指令： ld_ia、add_ia、sub_ia、or_ia、and_ia
3. 立即数指令特点：
添加en_i信号位，都是1； 传统指令都是0
ld信号位（内存输出使能），都是0； 传统指令大部分是1
注：当为立即数时，就可以直接把数给D，不过需要在opaddr前加5位0，因为D为16位数据
ld为0，内存 高阻态，不输出
3.10 添加B寄存器
1. 每个寄存器代表一个变量
2. 添加B寄存器，当前系统支持两个变量
3. ALU 的两个输入端AB，都有4个选项：A寄存器数据、B寄存器数据、0、内存数据（D），分别使用 sel_a和sel_b控制选择哪个
4. 添加了更多指令
ld_a 将内存数据存入A寄存器
ld_b 将内存数据存入B寄存器
save_a 将A寄存器数据存入内存
save_b 将B寄存器数据存入内存
....
操作码与指令的对照表如下：
| *指令* | *操作码* | *注释* |
|---|---|---|
| *halt* | 0b00000 | 终止程序 |
| *ld_a* | 0b00001 | 将内存RAM中的值载入a寄存器 |
| *ld_b* | 0b00010 | 将内存RAM中的值载入b寄存器 |
| *save_a* | 0b00011 | 将寄存器a的值保存到内存RAM |
| *save_b* | 0b00100 | 将寄存器b的值保存到内存RAM |
| *add* | 0b00101 | 将寄存器ab相加，保存到a |
| *sub* | 0b00110 | 将寄存器ab相减，保存到a |
| *and* | 0b00111 | 将寄存器ab按位与，保存到a |
| *or* | 0b01000 | 将寄存器ab按位或，保存到a |
| *ld_ia* | 0b01001 | 将立即数载入寄存器a |
| *ld_ib* | 0b01010 | 将立即数载入寄存器b |
| *add_ia* | 0b01011 | 将立即数加到寄存器a |
| *add_ib* | 0b01100 | 将立即数加到寄存器b |
| *sub_ia* | 0b01101 | 从寄存器a中减去立即数 |
| *sub_ib* | 0b01110 | 从寄存器b中减去立即数 |
| *and_ia* | 0b01111 | 将寄存器a与立即数取与 |
| *and_ib* | 0b10000 | 将寄存器b与立即数取与 |
| *or_ia* | 0b10001 | 将寄存器a与立即数取或 |
| *or_ib* | 0b10010 | 将寄存器b与立即数取或 |
| *cmp_a* | 0b10011 | 比较寄存器a和立即数是否相等 |
| *cmp_b* | 0b10100 | 比较寄存器b和立即数是否相等 |
| *jmp* | 0b10101 | 无条件跳转到指定地址执行 |
| *je* | 0b10110 | 如果比较结果相等才跳转 |
| *jne* | 0b10111 | 如果比较结果不等才跳转 |
| *nop* | 0b11000 | 什么都不干，跳过一步指令 |
第4章 设计汇编语言
4.1 设计汇编语言
C源码 --> 汇编语言 --> 机器码（二进制指令）
注：
汇编：nop——跳到下一步
汇编都需要经过ALU
汇编语言的不同会受到架构（eg：x86）的影响，所以汇编语言可移植性不高
goto语言来自于汇编
4.2 封装CPU
设置CPU对外输出
A（隧道） -> A（输出端） ——对应pc输出的地址
str（隧道） -> str（输出端）
ld（隧道） -> ld（输出端）
Q（隧道） -> D_out（输出端）
设置CPU输入
D_in（输入端） -> D（隧道）
将原来的内存改为 iROM（内置存储器）
4.3 总线
1. 控制总线；str、ld
2. 地址总线：A
3. 数据总线：D_in、D_out
4.4 地址
A原本地址为：11位——分为：高3位+低8位
高3位： 设备地址
低8位： 存储设置的内部地址
iROM: 000 00000000 ~ 000 11111111 (0~255)
RAM: 001 00000000 ~ 001 11111111 (256~511)
硬盘： 010 00000000 ~ 010 11111111 （512 ~ 767）
终端： 011 00000000 （768）
第5章 设计引导程序
1. iROM（写死的程序）
负责将硬盘中前32条指令拷贝到内存中执行
2. RAM（内存）
断电丢失，但开机后，所有程序需加载进内存才执行
3. 硬盘（用户可以改的程序）
前32条指令，作为引导程序，负责将后面的自定义程序拷贝进内存并执行（这32条指令用户也可以改，在这里指定自定义程序的位置，指令数量小于等于32即可）
自定义的程序放在后面
总：iROM（把指令写入 RAM 内存（指令目的读取 硬盘 的前32条指令）
总结：（方便理解）
1、查找表：1+1+5=7位 —— 16位
控制器输入7位 ——（译码） 输出16位
7位：
state（状态【取指令0与执行状态1】）1位
Qcmp（控制跳转）1位
opcode（给指令编号）5位
对应的16位：
终止信号：halt
指令寄存器输入使能：en_addr （address地址）
数据RAM输出使能：ld 数据RAM存储使能：str （storage储存）
比较寄存器输入使能：en_cmp
PC跳转使能：ld_pc PC计数器计数使能：en_pc
A寄存器输入使能：en_a
（该行每个各占2位）ALU B输入选择控制：sel_b ALU A输入选择控制：sel_a ALU功能选择位：sel_alu
2、内存
分为两部分（都是16位）： 指令（opcode 5位+addr【操作数】11位） 与 数据（16位）
state 是通过D触发器来实现的，通过时钟控制state的状态
控制器的 state=0，取指令阶段：（是从0到1的一个过程）
控制器的：en_pc、ld、en_addr、halt 都为1；比较寄存器：cmp也为1
①可跳转pc：en_pc=1，允许计数 —— A使用pc的地址
②内存：D是opcode+opaddr
③ALU：sel_b=01，此时的D不参与运算
④指令寄存器：en_addr=1，将取到的指令存在寄存器中
控制器的state=1，执行指令阶段：（是从0到1的一个过程）
控制器的：en_a、en_cmp、ld、halt都为1；比较器寄存器的：en_cmp为1
①PC不能计数；指令寄存器不能写入
②从指令寄存器中取出opcode与opaddr：
opcode给控制器，译码为16位指令
opaddr给PC，得出A是指令寄存器取出的地址
附录
字母表示：
pc（程序计数器）：C时钟、en控制输入、out输出、ovf进位
ALU（运算器）：（A、B）输入、C_in加减法前的进位、Sel选择哪个运算、S输出、C_out加减法的进位
Reg（寄存器）：D输入、C时钟、en控制输入、Q输出
隧道：
ZF比较运算器输出
信号位、指令字母说明
有内置的 加法器、D触发器、寄存器
str：控制存储； ld：控制输出； halt：停止与时钟有关的 jmp：无条件跳，je：有条件跳
ld_a：加载ALU的A端的输入
1、半加器：异或门、与门
2、一位加法器：2个半加器、或门（(A、B)输入、C_in后面的进位、S输出、C_out 进位）
3、4位加法器：4个一位加法器、隧道、分裂器（(A、B)输入、S输出、**C_out **进位）
4、SR锁存器：2个与非门（（S'、R'）输入、（Q、Q'）输出）
5、D锁存器：（对SR锁存器的升级改造）两个与非门、非门+（SR锁存器） （（D、en（控制是否允许）输入、（Q、Q'）输出）
6、D触发器（标号：D）：2个D锁存器、非门（D输入、C时钟（提供上升沿信号）、Q输出）
7、寄存器（标号：Reg）：四个触发器、与门、分裂器（（D、en（控制是否允许）输入、C时钟（提供上升沿信号）、Q输出）
8、复位器：Sel选择位（表示：一位有两种选择0和1，2位就有4种）
9、16位ALU：加法器Add、减法器Sub、与、或、两个复位器（（A、B、C_in（进位）、Sel（选择位））输入，（S、C_out(进位)输出）
10、使用Reg与ALU实现数学计算：（C按钮、B输入、Q输出）
11、38译码器：使用分析表直接生成（把3位编码——转为对应想要转换的8位编码）
12、使用Reg（寄存器）实现内存：38译码器、8个与、8个寄存器、复位器、下拉电阻、驱动器（clock按钮，（D_in（数据）、A（使用3位数控制8位寄存器地址）、str（控制是否输入数字）、ld（控制数据是否输出））输出，D_out数据输出）
13、内置的内存组件：（（A（3位控制8个寄存器的地址）、D_in（数据）、str（控制数据是否输入）、ld（控制数据是否输出），C（时钟）,D输出数据）
分数据位数（输入的数据为几位）、地址位数（有几种数据 eg：3位—对应2的三次方 种数据）
14、（1）程序计数器（标号：PC）：寄存器（Reg)、Add ** 【C时钟、en（控制是否允许）输入，out输出，ovf进位】
（2）可跳转程序计数器：在PC基础上，多一个复位器 【（addr（对应的跳转的地址）、jmp（控制是否可以跳转：1为跳转，0为自增1）、en（控制是否允许）输入，C时钟，out输出、ovf进位】
15、数据内存：程序计数器（PC）、EEPROM、ALU、Reg、与、非（clock时钟、Q输出）
16、指令内存+（数据内存）：与、非、程序计数器pc、数据内存、指令内存（EEPROM）、ALU、Reg（clock时钟、Q**输出）
在16的基础上给指令内存添加：
17、halt信号位（除了ALU外-停止）：在16的基础上，多一个分裂器；把指令数据D的输出（最高位作为halt信号位，（0、1）末两位为ALU的Sel选择位）；halt与clock时钟：决定是否执行或停止
18、str信号位（控制数据是否输入——数据内存-存储）：在17的基础上；把指令数据D（16位数据）的输出（从0开始的11位，作为控制数据内存是否存储该时刻数据的信号）
19、ld与sel_b信号位：在18的基础上，多一个复用器（用在数据内存的输出处）；把指令数据D（16位数据）的输出（从0开始的12位：ld，决定数据内存的数据是否输出（存储与停止为0）），（从0开始的4，5位：sel_b，决定数据内存是输出（复用器对应的）D数据还是常数）
20、sel_a信号与ld_a指令：在19的基础上；把指令数据D（16位数据）的输出（从0开始的2，3位：sel_a，控制寄存器的数据是否被取出；ld_a指令对应sel_a，当为ld_a指令时sel_a为1；（ld_a 指定， 用于加载表达式的第一个数；数据内存中取出什么数，ALU算完还是什么数）
21、有条件跳转（en_je信号位、je指令）：ALU的ZF为比较结果（0/1）——cmp——输入比较寄存器（留存上一步的比较结果）的D——从Q_cmp输出，刚好cmp与Q_cmp差一步，jmp指令也是在两数比较之后
