二十、内存
所谓饭前便后要洗手，一个完整的卫生间，除了有若干坑位，还得有洗手池配套。类似的，学习CPU的结构原理，也得把“内存”牵出来溜溜，否则无法说明计算机编程的本质。CPU+内存才是一个完整的计算机（核心），才能展现出CPU的功能。由此也能联系到，将鼠标键盘显示器等称为“外部”设备的道理。
最基本的内存单元能够存储和读写一个位（bit），是由一个上升沿D触发器和传输门组成，如下图所示。传输门电路我没有找到只有一位的，拿这个四位GAA的凑合看吧。
内存单元的符号如下图所示。（取自《穿》）
把8个bit单元的读写端分别连起来，就可以存储一个字节（8bit）。下图是能够存储5bit的内存单元。（取自《穿》）此图所示的结构，我们称之为“一层”。
存储4bit的一层的符号如下图所示。这时我学会了multisim12里的“层次块”这个东西，下图就是用层次块画的，这样可以将复杂的电路封装起来，省地方了，还能复用。所以说模块化的思想在硬件设计里就有了。（“用层次块替换…”和VS里的“Extract Method…”功能是何其类似！）
用一层一层的内存单元，即可构成存储器。对于有8层的存储器，需要3个bit表示需要读写的层数（23=8）。地址译码器的作用是：输入101时，输出的第5个（从0开始计数）引脚为1，其余均为0。有了地址译码器，存储器对外只需很少的地址线（例如10根）即可使用很多层（例如1024层）。这也符合了软件设计中接口尽可能简单的原则。本文所用的RAM存储器的结构如下图所示。其中左边的“3-8translator”就是译码器。
其层次块符号如下图所示。
这个RAM有三条地址线（Addr3、Addr2和Addr1），能够表示23=8个字（层），每个字的长度是4bit。这个小小的RAM刚好够存储（5+1+2+4）这个示例的指令和数据，下面就用这个RAM继续进化CPU。
这里也顺便把“3-8translator”译码器的电路实现贴出来吧，如下图所示。
二十一、9位循环移位寄存器
在version2里用的“2位循环移动寄存器”只需要一个乒乓触发器（详见上一篇）就可以了，但是后面要做的全自动控制器，需要一个“9位循环移位寄存器”，且这个寄存器要在加电时自动将第一个输出管脚置为1，其余为0。具有这样的功能的寄存器如下图所示。
如上图所示，第二行有4个D↑触发器，其中最左边的那个负责第一个输出管脚，即应该在加电时就置为1的那个管脚。这是通过左下方的电路实现的，其原理大家自己琢磨吧，无非是利用反馈电路实现了只生效一次这个功能而已。“9位循环移位寄存器”的符号如下图所示，其中“D0”是第一个输出管脚。
还有一个3bit的计数器，在上一篇里已经提过计数器，这里直接上图。
其层次块表示如下图所示。
二十二、自动控制器
有了内存，我们就要把指令和数据存进去。存储数据很好理解，是多少就写入多少。存指令之前，我们需要为每条指令分配一个4位的编码，比如0000表示Load，1111表示Add，然后用这个指令码控制“KLoad”和“KAdd”的开闭，所以这又是一个转换电路。有了这个转换电路，就可以只用“K”开关来完成“准备指令、准备数据、执行”这些操作了。全部自动化的CPU如下图所示。我们将这个版本的CPU称为version3的CPU。
这里的“ALU”是用层次块表示的version1里的电路，因为不这样的话，电路太大，而且不容易重点突出自动控制器的工作流程。同样的，“ShiftRegister9bit”、“Translator”、“Counter3bit”、“RAM8F4bit”都是层次块表示的电路。
“ShiftRegister9bit”会依次将输出端置为1，这可以从上方的三个数值显示器看出来。“Counter3bit”是3bit的计数器。“RAM8F4bit”是8层（每层4bit）的内存。“Translator”实现了控制信号的自动控制，“Translator”的内部实现如下图所示。
Version3所示的下半部分展示了译码电路，即把代表指令的4bit信号转换为指令信号的电路。由于我们指定Load和Add指令的代码（0000和1111）都是很规则的，所以译码电路也比较简单，如下图所示。
Version3的CPU用“9位循环移位寄存器”等器件实现了“取指令、分析指令，取数、执行”的全部自动化，其中取指令、分析指令、取数、执行分别占用了移位寄存器的t0- t2、t3、t4-t6、t7-t8这9个阶段。
注：如果用振荡器替换了“K”，这个CPU会不停地运转下去，这样就得不到我们想要的结果0xC（十进制的12）了。所以还需要添加“停机”指令。不过到这里已经说清了CPU的控制器是如何一步步实现自动化的，不再继续讲述如何添加新的指令。
二十三、最原始的机器语言编程
在给出上文的自动控制器里，我们只说了从内存里取指令和数据，而没有说这些指令和数据是如何写进去的。其实写进去的过程就是（机器语言）编程的过程。最简单的，你可以用拨动开关的方式，调整好要写入的位置，再调整好要写入的数值，把指令和数据一个字一个字地写入内存。最初的计算机编程就是用类似这样的方式（打孔纸带）编程的。（这个过程实在无聊，本文就不展示了，有兴趣的话自己拿multisim玩玩就好~）
用助记符和一些宏来代替机器码，这就是汇编语言。用C语言这种方式封装了汇编语言的编程方法，就是面向过程编程。用C++\C# \Java这样的语言封装了面向过程的语言，就是面向对象的编程方法。用if（。。）{…}代替JMP指令这种东西比较容易想象，但用“封装继承多态”这种飘渺的概念代替面向过程编程就有点困难了。我在另一篇文章《用C表达面向对象语言的机制——C#版》中作了分析和总结，现在终于算是从继电器一路走到面向对象编程了。