一台会记事的小计算机
复习
- 第十八、十九章：ALU 能算，还能给出状态标志
- 第二十六章：寄存器能保存数据
- 第二十九～三十二章：理解了存储器、存储层次与缓存
TL;DR
- 这一章把“运算器“和“存储器“两大系统拼到一起
- 我们得到一台能连续计算、还能把结果记住、存回内存的机器
- 它已经很像计算机了，但每一步还得人手动拨开关——这引出下一段的“指令“
正文
第二十章结束时，运算器装好了，但它得了“健忘症“。接下来这十几章，我们给它治好了病——做出了锁存器、触发器、寄存器，又做出了容量更大的存储器。
现在，是时候把两半合起来了。
先看看长成了什么
运算器 存储器
┌─────────┐ ┌─────────────┐
│ ALU │ │ 寄存器 │
└─────────┘ │ （快而小） │
│ ├─────────────┤
│ │ 存储器 │
│ │ （大而慢） │
│ └─────────────┘
└────── 多路选择器 ── 时钟 ──┘
左边是“会算的“，右边是“会记的“。中间靠多路选择器和时钟来协调。这一章要做的，就是把它们接到一起。
组装
我们要拼一台小机器，它要能满足三条：
- 能从存储器里把一个数取出来
- 能和另一个数做运算
- 能把结果存回存储器
为此需要这些零件：
- ALU：算
- 寄存器：临时存放取出来的数、以及中间结果
- 存储器：长期存放一批数据
- 多路选择器：决定这一步的数据，是从内存来的，还是从上一个结果来的
- 时钟：统一节拍，让“取数→运算→存回“有序进行
这台机器比第二十章的运算器多了“记性“，所以它终于能算多步的式子了。
让它做一件事
比如，计算内存里两个数的和，把结果存回内存：
内存： [100] = 3
[200] = 5
[300] = ?
步骤一：从地址 100 取出 3，送进寄存器 R1
步骤二：从地址 200 取出 5，送进寄存器 R2
步骤三：ALU 计算 R1 + R2，得到 8
步骤四：把 8 写回地址 300
时钟每响一下，就走一步。数据在“存储器 → 寄存器 → ALU → 寄存器 → 存储器“之间流动，像一个完整的小循环。这就是一台能记事、能干活的小计算机。
它甚至还能连续运算：把上一步的结果留在寄存器里，作为下一步的输入，配合多路选择器的选择，就能像第二十七章的累加器那样，连着算很多步。
但还差一口气
机器是好机器，可你注意到了吗——上面那“步骤一到步骤四“，是谁在指挥？
还是人。
每一步把数据从哪里取、做什么运算、存到哪里，都得我们提前拨好开关。想算一道新题，就得重新拨一遍开关、重新接线。这和我们在第二章吐槽过的“每次算新题都要重新接电路“没有本质区别，只是麻烦从“接线“变成了“拨开关“。
机器有算的能力、有记的能力，却唯独没有**“自己知道下一步该干什么“的能力**。
要让它真正自动起来，我们需要把“做什么、对谁做“这套指挥，也变成一串预先生成好的信号，存起来，让机器自己照着走。
这套指挥信号，就叫指令。下一段路，我们让机器学会“听话“。
思考题
上面这台小机器，如果想算
(3 + 5) × 2，一共要几步？每一步要人拨哪些开关？把它和第二十章那个“只会算不会记“的运算器比一比，多了什么、少了什么？
小结
知识点
- 运算器与存储器的合体
- 数据在“存储器↔寄存器↔ALU“之间的流动
- 时钟和多路选择器在其中的协调作用
- 这台机器的局限：仍需人工指挥每一步
参考资料
- Wikipedia(zh)：数据通路：数据在部件间的流动
- Wikipedia(zh)：存储程序计算机：指令与数据同存的思想
思考题答案（仅供参考）
大概需要：取 3 → 取 5 → 加得 8 → 存 8 → 取 2 → 乘得 16 → 存 16，一共 7 步左右，每一步都要人设定“数据从哪来、做什么、存到哪“。
和第二十章那个运算器相比，它多了记忆和存储，所以能把中间结果 8 保存下来供下一步用，不必人来抄写；但少了自动化——它不会自己决定下一步，仍需人一步步指挥。计算机还差临门一脚。
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封面图
设计师 | 南国微雪