第136章 打造算术逻辑单元
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在计算机中，二进制数是以补码的形式进行运算的。
这样做的目的，是为了用统一的方式，进行有符号数的加减法，使得硬件复杂度最小化。
相关的原理比较复杂，这里不多展开。
江寒首先要实现的，是最简单的“半加器”。
其功能十分简单，就是实现两个二进制位的加法。
之所以叫“半加器”，是因为输入只有两个，不考虑其他运算产生的进位。
它的两个输入位，只允许传入两个1位的二进制数：1或者0。
输出的运算结果，也有两个二进制位。
一个叫SUM位，表示“和”；另一个则是Carry位，保存着“进位”信息。
比如……
输入：【1，1】，则输出【1，0】
输入：【1，0】，则输出【0，1】
输入：【0，1】，则输出【0，1】
输入：【0，0】，则输出【0，0】
如果单看SUM位的取值，这不就是把输入进行了XOR运算的结果吗？
再看Carry位，它的取值也很有规律，就是个AND逻辑。
没错，就是这么简单。
只要将一个“异或门”，并联上一个“与门”，一只半加器就做成了。
做好了这只半加器后，江寒又将其改造了一下。
为了缩减工艺难度，统一用到的元器件，可以只用“与非门”，去实现所有的逻辑运算。
江寒很快就完成了这个计划。
毕竟一只“半加器”，实在太简单了。
当然，这里也可以使用“异或门”或其他什么门，效果都差不太多，没什么本质的区别。
江寒试着将这只半加器扔进了“回收站”，打算看看，这么简单的“半加器”，到底值多少积分。
结果没什么惊喜，只有可怜的1.6分，远远不能保本。
好吧，继续改进。
接下来，江寒将“半加器”改造成了“全加器”。
和“半加器”相比，“全加器”只多了一个输入位。
也就是说，输入端包含了3个二进制位。
之所以这么做，是考虑到了来自其他数位的进位。
“全加器”有多种设计。
最简单的设计，可以用两个“半加器”，加上一个“或门”来实现。
多个“全加器”级联，就成了“多位全加器”，也叫“加法器”。
随后，江寒还实现了另一个基本运算器件：“增量器”。
“增量器”的功能只有一个，给输入的数据加1。
随后，在以上工作的基础上，就可以打造出可运算n位二进制数的“加法器”了。
但在实现之前，江寒再次打开“商品列表”，买了几张“空白图纸”。
这玩意是他前几天翻阅元件列表时，无意中发现的。
其功能也很简单。
将其与任何作品一起回收，系统都会自动生成对应的图纸，并将其收纳于【图纸列表】中。
说实话，江寒对这个功能还是挺欣赏的。
尽管要多花一些积分，但至少省了手绘图纸的麻烦。
江寒将一只“与非门”和空白图纸一起扔进了【回收站】。
点击了确认以后，作品与空白图纸同时消失。
图纸列表同步p更新，多出了《与非门》的条目。
这样，以后再构建复杂元器件时，就不用每一个“与非门”都手搓了。
代价只是稍微多花一点点积分而已。
江寒试验了一下，发现自动构建一个“与非门”，需要花费27.2分。
这个电路只需要5个晶体管，价值25分；导线等等算0.2分。
这样，江寒只需要额外多花费不到8%的积分，就可以自动化生产基本部件，从而避免了大量的重复性机械劳动。
接下来，他又将“半加器”、“全加器”、“增量器”……全都制作成了图纸，留待以后使用。
不得不说，江寒有点收集癖。
接下来，江寒就让系统帮忙，大批量生产“与非门”。
手指飞速点动：【与非门】、【确认】、【与非门】、【确认】……
十分钟后，工作台上已经出现了一大堆“与非门”电路。
与手工打造相比，一个明显的优点是规格、造型都极为统一。
接下来，江寒将这些“与非门”连接成了“加法器”。
这是一只32位的加法器，最多支持32位有符号数的加法。
接下来，江寒开始进行今天的最后一个大工程，打造一只“算数逻辑单元”，也就是ALU。
其包括32+32位的输入，和32位的输出。
此外，内部还实现了一些函数，并设计了6个输入标志位：zx、nx、zy、ny、f、no。
每个标志位分别实现不同的基本指令。
如zx表示输入的x置0，nx表示对输入x取反，no表示对结果按位取反……
f为0时，执行add指令，做加法运算；
f为1时，则执行and指令，进行位与运算……
通过这些标志位的不同组合，还可以实现更加复杂的功能。
6个标志位，最多允许处理2^6，也就是64种不同的指令。
但江寒只实现了54种比较常用的功能，并没有将所有的函数位置都用掉，为以后根据需要再次扩展，保留了一点余地。
此外还有两个状态位：zr和ng，根据运算结果，置0或1。
这个ALU可实现的功能，包括输入数相加、相减、位与、位或、取反、取相反数、自加1，自减1、清0、置1、置-1……
随后，江寒利用刚才生产的一系列“与非门”，将其手工搭建了出来。
再经过反复测试，所有功能都能正确执行，这也就意味着，这只ALU到这里就算成功创建了。
接下来，当他试着将其扔进回收站时……
“咦？居然值3024分？”
而成本才不过1800多分，也就是说，每台净赚将近1200！
但这玩意用来刷分，并不会比“无线电发送装置”更有效率。
因为，打造一台实在太麻烦了，足足3个半小时，才能打造出一个。
而且，每时每刻都要极度小心、细心、耐心，无论哪个地方，只要出一点点小问题，都会导致全盘失败……
不过，江寒很快就想到了一个可能性。
江寒将其和一张“空白图纸”一起扔进了“回收站”，然后去图纸列表里看了一眼。
【需要花费积分1890+1238点，是否自动构建？确认/取消。】
江寒开心一笑。
不错！
只多花了不到100分，就将ALU再次购买了回来。
接下来，就是继续提高设计复杂度，做出真正的CPU来！
当然，这不是一朝一夕之功。
今天已经很累，就先到这里。
以后每天晚上来做一点，估计几天之后，一个简单的晶体管计算机就能出炉了。
至于X86兼容机，就稍微麻烦一些，可能得努力一个月以上……
这样做的目的，是为了用统一的方式，进行有符号数的加减法，使得硬件复杂度最小化。
相关的原理比较复杂，这里不多展开。
江寒首先要实现的，是最简单的“半加器”。
其功能十分简单，就是实现两个二进制位的加法。
之所以叫“半加器”，是因为输入只有两个，不考虑其他运算产生的进位。
它的两个输入位，只允许传入两个1位的二进制数：1或者0。
输出的运算结果，也有两个二进制位。
一个叫SUM位，表示“和”；另一个则是Carry位，保存着“进位”信息。
比如……
输入：【1，1】，则输出【1，0】
输入：【1，0】，则输出【0，1】
输入：【0，1】，则输出【0，1】
输入：【0，0】，则输出【0，0】
如果单看SUM位的取值，这不就是把输入进行了XOR运算的结果吗？
再看Carry位，它的取值也很有规律，就是个AND逻辑。
没错，就是这么简单。
只要将一个“异或门”，并联上一个“与门”，一只半加器就做成了。
做好了这只半加器后，江寒又将其改造了一下。
为了缩减工艺难度，统一用到的元器件，可以只用“与非门”，去实现所有的逻辑运算。
江寒很快就完成了这个计划。
毕竟一只“半加器”，实在太简单了。
当然，这里也可以使用“异或门”或其他什么门，效果都差不太多，没什么本质的区别。
江寒试着将这只半加器扔进了“回收站”，打算看看，这么简单的“半加器”，到底值多少积分。
结果没什么惊喜，只有可怜的1.6分，远远不能保本。
好吧，继续改进。
接下来，江寒将“半加器”改造成了“全加器”。
和“半加器”相比，“全加器”只多了一个输入位。
也就是说，输入端包含了3个二进制位。
之所以这么做，是考虑到了来自其他数位的进位。
“全加器”有多种设计。
最简单的设计，可以用两个“半加器”，加上一个“或门”来实现。
多个“全加器”级联，就成了“多位全加器”，也叫“加法器”。
随后，江寒还实现了另一个基本运算器件：“增量器”。
“增量器”的功能只有一个，给输入的数据加1。
随后，在以上工作的基础上，就可以打造出可运算n位二进制数的“加法器”了。
但在实现之前，江寒再次打开“商品列表”，买了几张“空白图纸”。
这玩意是他前几天翻阅元件列表时，无意中发现的。
其功能也很简单。
将其与任何作品一起回收，系统都会自动生成对应的图纸，并将其收纳于【图纸列表】中。
说实话，江寒对这个功能还是挺欣赏的。
尽管要多花一些积分，但至少省了手绘图纸的麻烦。
江寒将一只“与非门”和空白图纸一起扔进了【回收站】。
点击了确认以后，作品与空白图纸同时消失。
图纸列表同步p更新，多出了《与非门》的条目。
这样，以后再构建复杂元器件时，就不用每一个“与非门”都手搓了。
代价只是稍微多花一点点积分而已。
江寒试验了一下，发现自动构建一个“与非门”，需要花费27.2分。
这个电路只需要5个晶体管，价值25分；导线等等算0.2分。
这样，江寒只需要额外多花费不到8%的积分，就可以自动化生产基本部件，从而避免了大量的重复性机械劳动。
接下来，他又将“半加器”、“全加器”、“增量器”……全都制作成了图纸，留待以后使用。
不得不说，江寒有点收集癖。
接下来，江寒就让系统帮忙，大批量生产“与非门”。
手指飞速点动：【与非门】、【确认】、【与非门】、【确认】……
十分钟后，工作台上已经出现了一大堆“与非门”电路。
与手工打造相比，一个明显的优点是规格、造型都极为统一。
接下来，江寒将这些“与非门”连接成了“加法器”。
这是一只32位的加法器，最多支持32位有符号数的加法。
接下来，江寒开始进行今天的最后一个大工程，打造一只“算数逻辑单元”，也就是ALU。
其包括32+32位的输入，和32位的输出。
此外，内部还实现了一些函数，并设计了6个输入标志位：zx、nx、zy、ny、f、no。
每个标志位分别实现不同的基本指令。
如zx表示输入的x置0，nx表示对输入x取反，no表示对结果按位取反……
f为0时，执行add指令，做加法运算；
f为1时，则执行and指令，进行位与运算……
通过这些标志位的不同组合，还可以实现更加复杂的功能。
6个标志位，最多允许处理2^6，也就是64种不同的指令。
但江寒只实现了54种比较常用的功能，并没有将所有的函数位置都用掉，为以后根据需要再次扩展，保留了一点余地。
此外还有两个状态位：zr和ng，根据运算结果，置0或1。
这个ALU可实现的功能，包括输入数相加、相减、位与、位或、取反、取相反数、自加1，自减1、清0、置1、置-1……
随后，江寒利用刚才生产的一系列“与非门”，将其手工搭建了出来。
再经过反复测试，所有功能都能正确执行，这也就意味着，这只ALU到这里就算成功创建了。
接下来，当他试着将其扔进回收站时……
“咦？居然值3024分？”
而成本才不过1800多分，也就是说，每台净赚将近1200！
但这玩意用来刷分，并不会比“无线电发送装置”更有效率。
因为，打造一台实在太麻烦了，足足3个半小时，才能打造出一个。
而且，每时每刻都要极度小心、细心、耐心，无论哪个地方，只要出一点点小问题，都会导致全盘失败……
不过，江寒很快就想到了一个可能性。
江寒将其和一张“空白图纸”一起扔进了“回收站”，然后去图纸列表里看了一眼。
【需要花费积分1890+1238点，是否自动构建？确认/取消。】
江寒开心一笑。
不错！
只多花了不到100分，就将ALU再次购买了回来。
接下来，就是继续提高设计复杂度，做出真正的CPU来！
当然，这不是一朝一夕之功。
今天已经很累，就先到这里。
以后每天晚上来做一点，估计几天之后，一个简单的晶体管计算机就能出炉了。
至于X86兼容机，就稍微麻烦一些，可能得努力一个月以上……
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