第一次呼吸

复习

　　零件时代结束了。运算器、存储器、控制器、总线和外设都已经就位。现在，我们只做一件事：让它们第一次一起工作。

　　地址 20 保存 3，地址 21 保存 5。我们再约定：地址 240 不属于普通存储器，而是四盏 LED 的 I/O 接口，向它写入就等于改变灯的亮灭。

　　程序要把两个数相加，把结果写到地址 22，再送到 LED：

　　把 PC 清成 0，打开时钟。

　　控制器按 PC 从地址 0 取指，译出 LOAD，再从地址 20 取回 3，写入 A。随后 PC 指向 1，同样把 5 写入 B。

　　取到地址 2 的 ADD 后，控制器让 A、B 进入 ALU，并在结果稳定后把 8 写入 R。地址 3 的 STORE 又把 8 写进存储器 22。

　　最后一条 STORE 把地址 240 放上总线。地址译码电路发现它属于 I/O 接口，于是 R 中的低 4 位没有写进普通存储器，而是送到了四盏灯。灯显示：

　　这是二进制的 8。四盏灯里只有最左边那盏亮着。

　　整个过程，没有人重接线路，没有人抄写中间结果。人只提供了程序与最初的数据，机器便沿着时钟，一步一步把它走完了。这台机器，自己呼吸了第一口。

逻辑门 → 加法器 → ALU → 运算器
反馈 → 锁存器 → 触发器 → 寄存器 → 存储器
指令 → PC → 控制器 → CPU
总线 → I/O → 中断

　　计算机不是突然出现的黑盒。每当旧机器遇到一个做不到的动作，我们就加上一小块；三十多章以后，这些小块终于彼此咬合。

　　它现在只会做很少的事，却已经具备了通用计算机最关键的样子：程序和数据都存放在存储器里，CPU 可以读取指令，并因此改变自己接下来的行为。机器第一次拥有了“按自己的安排做事”的能力。

　　再往后，问题不再只是“机器由什么组成”，而是“人怎样更轻松地让它做事”。汇编语言、编译器和操作系统，会从这里接过下一段路。

思考题 1

　　程序与数据都只是存储器中的比特。CPU 为什么不会把地址 20 的数字 3 当成指令执行？在什么情况下它又可能真的这样做？

思考题 2

　　回头看看这条从逻辑门到整机的主线。如果让你只保留一句话来概括“计算机是怎样造出来的”，你会怎么说？

　　正常情况下，PC 只指向程序所在的地址，地址 20 只会被 LOAD 当作数据读取。但如果跳转地址写错、PC 被破坏，或程序故意跳到数据区，CPU 仍会尝试把那里的比特当指令译码——因为比特本身并不标注“我是数据”。是使用方式，而不是比特本身，决定了它的身份。

　　参考答案：每当遇到一个做不到的动作，就造一个能完成它的新部件，再把它接到已有的机器上。 逻辑门拼出加法器，加法器拼出 ALU，反馈拼出存储器，指令与控制器拼出 CPU。计算机不是一步造出来的，而是这样一层层积累、一点点咬合而成的。

设计师 | 南国微雪