《编码》读书笔记：从无到有构建计算机系统
1 简单的电报系统：
按键、发声装置，电池和一些导线即可构成：
当电报机的键按下时，发生器的电磁铁将可动棒拖下发出“滴”的声音；当键放开时，棒弹回初始位置，发出“嗒”的声音。快速的“嘀嗒”为点，慢速的则为划。
2 继电器
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
长距离导线会有很大的电阻，会导致电流越来越小。下图中的继电器系统就是为了增大电流。
上述通信系统中的继电器的简单实现：
3 逻辑代数与电路
逻辑代数是分析和设计逻辑电路的数学基础。逻辑代数是由英国科学家乔治·布尔(George·Boole)创立的，故又称布尔代数。
4 逻辑门 （logic gates）
逻辑门和通常让水和人通过的门十分相似。逻辑门通过阻挡或允许电流通过在逻辑中执行简单的任务。
（1）与门
用两个继电器串联成一个与门
（2）或门
用两个继电器并联成一个或门
标准表示：
（3）反向器
标准表示：
它被称为反向器的原因是当输入为0时输出却为1，反之亦然。
（4）或非门
标准表示：
（5）与非门
标准表示：
（6）缓冲器
缓冲器的特点是“什么都不做”，其输出和输入是相同的：当输入信号很弱时，可以使用缓冲器，这是因为这也正是多年前继电器被用于电报当中输入输出的原因。此外，缓冲器也可用于延迟一个信号，这是因为继电器可能要求多一点儿动作时间，如1秒的几分之一才被触发。
标准表示：
5 加法器
二进制的加法表：
| + | 0 | 1 |
| 0 | 00 | 01 |
| 1 | 01 | 10 |
这样一来，二进制数字相加的结果是两位数，分别称为“和”和“进位”（比如“ 1加1等于0，进位是1”）。现在，可以把这张二进制加法表分成两张表，第1张是表示“和”的表。下面表（1）是加法位的：
| +加法位 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
下面表（2）是进位的：
| +进位位 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
这样的话就便于用之前的逻辑门电路来分别实现上述两张表的功能。
表（2）很简单，可以用与门实现；表（1）略复杂，如下：
进而可以构成半加器 → 全加器 → 8位加法器 → ...
8位加法器如下：
层层组合：继电器 → 逻辑门 → 加法器
当然现代计算机已经不使用继电器了，后来使用过真空管，现在使用的是晶体管，但是工作方式和继电器是基本相同的。继电器 → 真空管 → 晶体管。
6 减法器
减法器主要通过一些变换，最后转换为加法器来处理。
一个减法器的组成：
7 锁存器
将继电器、电池、开关按如下形式连接：
只要开关是闭合的，金属簧片就会上下跳动—使电路闭合或断开—并制造一种声音。
对于反向器而言，当输入为0时，输出为1；输入为1时，输出为0。在该电路中闭合开关会使反向器中的继电器间断地闭合和断开。如果去掉开关，可以使反向器连续地工作，如下图示：
这个电路称为振荡器，它和我们以前见到的每样东西都有本质上的区别。以前，所有的电路都靠手动地断开或闭合开关来改变状态，而振荡器却不需要人的干涉，它可以自主地工作。
所有计算机都靠某种振荡器来使其他部件同步工作。振荡器的输出是0和1的交替序列，可以用下图形象地来表示它,图中，水平轴表示时间，垂直轴表示输出是0或1：
此图表示随着时间的变化，振荡器的输出在0和1之间交替变化。基于这个原因，振荡器有时称为时钟（c l o c k），因为通过对振荡次数记数还可确定时间。我们把振荡器从某个时间的输出开始，经历一段变化又回到同样输出的这一段间隔称为振荡器的一个循环（c y c l e）,一个循环所需要的时间称为振荡器的周期。
如下电路是一个基本的触发器电路：
触发器电路可以保持信息，换句话说，它有记忆性。它可以“记住”最近一次是哪个开关先闭合的。
可以进一步构成锁存器。锁存器不同于触发器，它不在锁存数据时，输出端的信号随输入信号变化，就像信号通过一个缓冲器一样；一旦锁存信号起锁存作用，则数据被锁住，输入信号不起作用。锁存器也称为透明锁存器，指的是不锁存时输出对于输入是透明的。
8 存储器
8个1位锁存器，3-8译码器，8-1选择器构成的一个8×1RAM，如下图所示：
这种锁存器的配置有时也称为读／写存储器，但通常叫作随机访问存储器或R A M。称它为存储器是因为它能保存信息，称为读／写存储器是因为可以在每个锁存器中保存新的数据（也就是写数据），同时还可以查看每个锁存器中所保存的数据（也就是读数据）。称它为随机访问存储器是因为通过简单地改变地址输入就可以从8个锁存器中的任意一个读出或写入数据。相比之下，其他类型的存储器必须顺序读出—也就是，在可以读出存储在地址1 0 1的数据之前，必须读出存储在地址1 0 0的数据。
可以将多个8×1RAM构成一个整体的RAM，两种组合思路：增加数据宽度（数据线），增加地址线宽度。
为什么RAM具有易失性？
如果一个装满65 536字节的6 4 K×8 RAM阵列被关掉电源，将会发生什么情况呢？所有的电磁铁将失去磁性，所有继电器的触点将回到未触发状态， R A M中的内容也将永远丢失。
这就是随机访问存储器也称为易失性存储器的原因，它需要恒定的电源来保持其中的内容。
9 计算机雏形
用来累加多个数的锁存器成为累加器（accumulator）。
（1）version 1.0
（2）version 2.0
（1）初步产生两个，一个是数据RAM，一个是代码RAM。代码RAM阵列中存放的每一个代码都对应着数据RAM中要被加载或者加到累加器中的数，或者对应需要存回到数据RAM中的某个数。以这种方式使用的数字代码常常被称为指令码（instruction code）或操作码（operationcode）。代码存储器中的每一条指令对应数据存储器中相同地址的存储单元。
（2）支持save、sub指令功能。
（3）version 3.0
1）带参数的指令。改成一个指令占3个字节。第一个为代码本身，后两个为16位存储器单元地址。是为了解决之前 版本的问题，具体问题分析见 P203
2）合并数据RAM和代码RAM。
从存储器中取出指令的过程称为取指令（instruction fetch）。在上述加法机中，每个指令长3个字节。因每次只能从存储器中取出一个字节，因此每次取指令需要3个时钟周期。
机器响应指令代码执行一系列操作称为执行（execute）指令，但这并不是说机器是有生命的东西，因为它不能自行分析机器代码并决定该做什么。每一个机器码用其唯一的方式触发多种控制信号，使机器产生各种操作。
能否控制重复操作或者循环是计算机和计算器的区别。
我们的计算机是用继电器、电线、开关和灯泡建造的，所有这些都是硬件。与之对应，指令和输入存储器中的其他数据叫作软件，之所以叫“软件”是因为它们比硬件更容易改变。
上述图中：
CPU包含若干组件：累加器（由8位锁存器构成）是其中一个。
8位反相器和8位加法器构成了ALU（本例中只能进行算术运算）。
16位的计数器被称为程序计数器（PC，Program Counter）。
处理器可以响应的操作码（如指装载和存储的1 0 h和11 h）叫作机器码，或机器语言。之所以用“语言”这个术语是因为机器码类似于可读/写的人类语言可被机器理解和响应。
以上表示的是一种计算机程序设计语言，称作汇编语言。它是全数字的机器代码和指令描述性语言的综合，且存储器地址用符号表示。人们有时会把机器语言和汇编语言弄混淆，因为它们是表示同种事情的两种不同的方法。汇编语言的每条语句都对应于机器代码的特定字节。
10 冯诺依曼体系结构
早期的计算机中存储器只是用来存储中间结果，程序本身则存储到一些物理媒介上面，例如带穿孔的纸带。并且使用的还不是二进制数字系统（ENIAC用的是十进制）。
冯诺依曼提出：计算机内部应该使用二进制数；计算机中应该拥有尽可能大容量的存储器，这些存储器应该用来存储程序代码和程序执行中产生的数据；这些指令在存储器中是顺序存放的，而且可以由程序计数器进行寻址，但允许条件跳转。这就是存储程序概念（stored-program concept）。
11 计算机的发展
芯片：指内含集成电路的硅片，体积很小，常常是计算机或其他电子设备的一部分。集成电路实体往往要以芯片的形式存在。
某种意义上，所有数字计算机都是相同的。如果一个处理器的硬件能做别的处理器做不了的，那么别的处理器可以用软件实现，最终它们能做同样的事情。
以下三个指标经常用来作为微处理器相互比较的标准：
- 处理器的数据通路的宽度。
- 时钟频率是可连接到微处理器并能运行的振荡器的最大频率。时钟频率决定了每一条指令的执行速度。
- 可寻址空间大小。
12 8080微处理器
（1）除了累加器，8080微处理器内部还包括6个寄存器（register），每个寄存器可以保存8位的值。这些寄存器和累加器非常相似，事实上，累加器被看作是一种特殊的寄存器。和累加器一样，这6个寄存器也是锁存器。处理器可以把数据从存储器传送到寄存器，也可以把数据从寄存器送回到存储器。然而，这些寄存器没有累加器的功能强大。
（2）该是谈论8080标志位的时候了。在第17章的处理器中，已有进位标志位C F和零标志位ZF。8080还有3个标志位，即符号标志位S F、奇偶标志位P F和辅助进位标志位A F。所有标志位都保存在另一个叫作程序状态字（PSW：program status word）的8位寄存器中。
（3）堆栈是怎样实现的呢？首先，堆栈只是不被别的东西使用的正常的RAM的一部分。8080微处理器包含一个特殊的16位寄存器来对这一部分存储器进行寻址，这个16位寄存器叫作堆栈指针。
（4）对每个PUSH指令，堆栈都会增加2个字节，这可能导致程序出现小毛病—堆栈可能会变得很大以致会覆盖掉程序所需的一些代码和数据。这就是堆栈上溢问题。同样，过多的POP指令会过早用光堆栈内容，这就是堆栈下溢问题。由于程序代码放在低地址空间，为了避免相互干扰，一般sp指向的是高地址空间，然后堆栈向低地址空间增长。
（5）第一个是Call（调用）指令。Call指令与Jump指令的不同之处在于：前者把一个新值装入到程序计数器PC中，处理器保存PC中原来的地址，保存在哪里？当然，在堆栈中。这种策略意味着Call指令可有效地保存“程序从哪里跳转”的标记。处理器最终可利用此地址返回到原来的位置。这个返回指令叫Return。Return指令从堆栈中弹出两个字节，并把该值装载到PC中。
（6）微处理器是怎样与外围设备(对于连接到微处理器而不是存储器的东西的称呼)进行通信的呢？外围设备具有与存储器相似的接口，微处理器可通过对应于外设的具体地址来对外设进行读写。在有些微处理器中，外围设备实际上占用了通常用来寻址存储器的地址，这种配置叫作内存映像I/O。然而在8 0 8 0中，在65536个正常地址外还有256个附加地址专门为输入输出设备预留，这些就是I/O端口（I/O Port）。I/O地址信号为A0～A7，但I/O访问与存储器访问不同，由8228系统控制芯片锁存的信号来区分。
13 ASCII码和字符转换
数字计算机中唯一可以存储的是比特。
人类所积累的大部分信息，都是以各种文本形式保存的，这些文本信息是由各种人类可识别的符号（字符）构成的，比如字母、数字，标点符号等等。
为了将文本信息存储在计算机中，需要对每一个字符赋予一个唯一的编码（比特序列）。
所谓编码表就是指 “字符 → 编码（计算机中就是二进制比特序列）” 的这样映射表。
这样每一个字符的编码就会占据一定的比特。
对数字编码？
数字（0-9）也是一种字符，所以可以像其他字符一样，为每个字符赋予一个唯一的编码。问题不就解决了。就看成普通字符就完事了嘛。
问题是数字在计算机中可以用十六进制码、BCD码等形式来表示，所以很蛋疼。
比如十进制数：12
ASCII码：00110001 00110010 ；即31h和32h。
BCD码：00010010 ；用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数码。
十六进制码：00000001 00000010 ；即01和02h。
当数字以文本流的身份出现时，是以ASCII编码的。和该数本身表示的含义无关。也就是说我们平时从键盘输入一个数字（0-9）都是ASCII码形式的。
14 I/O设备
输出设备：比如视频显示器CRT（电子射线管）。
视频适配器是独立存在的，它们拥有自己的电路板，也就是我们常说的显卡。视频适配器为视频显示器提供信号。
视频适配器中必须配置有一些RAM，用以存储显示的内容；微处理器也必须能够向此RAM中写入数据以改变显示器上显示的内容。当然这个RAM也可以是微处理器存储空间的一部分。
字符生成器也是视频适配器板上的一部分，包含了所有ASCII码字符的像素图，它是只读存储器，即ROM，这些数据在厂家制造芯片时已经配置好了，当然你也可以对ROM芯片进行编程。可编程只读存储器PROM只能编程一次，而可擦除只读存储器EPROM可以重复擦除和写入。
只显示文本的视频显示适配器还必须支持光标功能。光标所在的行和列常被存储在两个8位的寄存器中，这两个寄存器也是视频板的一部分，而且微处理器可以对其进行写操作。
从键盘输入字符，然后显示在显示器上的过程？
按下键盘中的某个键，产生一个对应的扫描码，（注意，一般的键盘是不会本身提供ASCII码对按键的对应关系的），然后通过一小段计算程序计算出这个按键对应的ASCII码。
按下某个按键→产生中断→运行中断处理程序（在这个程序中会计算出这个按键对应的ASCII码，并写入存储器中）。
按照代码转换方式键盘可以分为编码式和非编码式两种。编码式键盘是通过数字电路直接产生对应于按键的ASCII码，这种方式目前很少使用。非编码式键盘将按键排列成矩阵的形式，由硬件或软件随时对矩阵扫描，一旦某一键被按下，该键的行列信息即被转换为位置码并送入主机，再由键盘驱动程序查表，从而得到按键的ASCII码，最后送入内存中的键盘缓冲区供主机分析执行。
具体可参看这里。
一般我们从键盘输入的最后都会以ASCII的方式存放到存储器，这些ASCII字符可以输出给显示适配器，然后显示器显示这些ASCII字符。
虽然这些ASCII字符是存储在内存中的，但它们不是可执行的文件，因为这些字节编码代表字符，而不代表指令。
假设我们的命令行处理程序可以处理如下命令：
MOV A 3A
假设该命令会将十六进制表示的3A送到累加器A中，则键盘程序处理后的3A就变成了如下两个ASCII编码 33h 41h，而我们期待A中存放的是3Ah，那么中间肯定会存在一个转换程序：将 33h 41h 转为 3Ah。
