计算机系统知识,第一台祖思机的架构与算法

作者: 仪器仪表  发布:2019-10-01

本文是对论文《The Z1: Architecture and Algorithms of Konrad Zuse’s First Computer》的中文翻译,已征得原作者Raul Rojas的同意。感谢Rojas教授的支持与帮助,感谢在美留学的好友——锁在英语方面的指导。本人英文和专业水平有限,不妥之处还请批评指正。

第一章 计算机系统知识

上一篇:现代计算机真正的鼻祖——超越时代的伟大思想

This is a translation of "The Z1: Architecture and Algorithms of Konrad Zuse's First Computer" with the permission of its author Raul Rojas. Many thanks for the kind support and help from Prof. Rojas. And thanks to my friend Suo, who's currently in the US, for helping me with my English. The translation is completed to the best of my knowledge and ability. Any comments or suggestions would be greatly appreciated.

1.1计算机系统基础知识



1.1.1计算机系统硬件基本组成

  计算机的基本硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部件组成。

  运算器、控制器等部件被集成在一起,统称为中央处理单元(CPU)。

  CPU是硬件系统的核心,用于数据的加工处理,能完成各种算数、逻辑运算及控制功能。

  存储器是计算机系统中的记忆设备,分为内部存储器和外部存储器。前者(内存)速度高、容量小,一般用于临时存放程序、数据及中间结果。而后者(外存)容量大、速度慢,可以长期保存程序和数据。

  输入设备和输出设备合称为外部设备(外设),输入设备用于输入原始数据及各种命令,而输出设备则用于输出计算机运行的的结果。

  

机电时期(19世纪末~20世纪40年代)

我们难以理解计算机,也许主要并不由于它复杂的机理,而是根本想不明白,为什么一通上电,这坨铁疙瘩就突然能飞速运转,它安安静静地到底在干些啥。

经过前几篇的探索,我们已经了解机械计算机(准确地说,我们把它们称为机械式桌面计算器)的工作方式,本质上是通过旋钮或把手带动齿轮旋转,这一过程全靠手动,肉眼就能看得一清二楚,甚至用现在的乐高积木都能实现。麻烦就麻烦在电的引入,电这样看不见摸不着的神物(当然你可以摸摸试试),正是让计算机从笨重走向传奇、从简单明了走向令人费解的关键。

摘要

本文首次给出了对Z1的综合介绍,它是由德国发明家康拉德·祖思(Konrad Zuse)1936~1938年期间在柏林建造的机械式计算机。文中对该计算机的主要结构零件、高层架构,及其组件之间的数据交互进行了描述。Z1能用浮点数进行四则运算。从穿孔带读入指令。一段程序由一系列算术运算、内存读写、输入输出的指令构成。使用机械式内存存储数据。其指令集没有实现条件分支。

虽然,Z1的架构与祖思在1941年实现的继电器计算机Z3十分相似,它们之间仍然存在着明显的差异。Z1和Z3都通过一系列的微指令实现各类操作,但前者用的不是旋转式开关。Z1用的是数字增量器(digital incrementer)和一套状态位,它们可以转换成作用于指数和尾数单元以及内存块的微指令。计算机里的二进制零件有着立体的机械结构,微指令每次要在12个层片(layer)中指定一个使用。在浮点数规格化方面,没有考虑尾数为零的异常处理,直到Z3才弥补了这一点。

文中的知识源自对祖思为Z1复制品(位于柏林德国技术博物馆)所画的设计图、一些信件、笔记本中草图的仔细研究。尽管这台计算机从1989年展出至今(停运状态),始终没有关于其体系结构详细的、高层面的阐述可寻。本文填补了这一空白。

1.1.2中央处理单元

技术准备

19世纪,电在计算机中的应用主要有两大方面:一是提供动力,靠电动机(俗称马达)代替人工驱动机器运行;二是提供控制,靠一些电动器件实现计算逻辑。

我们把这样的计算机称为机电计算机

1 康拉德·祖思与Z1

德国发明家康拉德·祖思在19361938年期间建造了他的第一台计算机<sup>注1</sup>(19341935年期间做过一些小型机械线路的实验)。在德国,祖思被视为计算机之父,尽管他在第二次世界大战期间建造的计算机在毁于火灾之后才为人所知。祖思的专业是夏洛腾堡工学院(Technische Hochschule Charlottenburg)(现今的柏林工业大学)的土木工程。他的第一份工作在亨舍尔公司(Henschel Flugzeugwerke),这家公司恰巧从1933年开始建造军用飞机[1]。这位25岁的小年轻,负责完成生产飞机部件所需的一大串结构计算。而他在学生时代,就早已开始考虑机械化计算的可能性[2]。所以他在亨舍尔才干了几个月就辞职,建造机械计算机去了,还开了自己的公司,事实也正是世界上第一家计算机公司。

注1:康拉德·祖思建造计算机的精确年表,来自于他从1946年3月起手记的小本子。本子里记载着,V1建造于1936~1938年间。

在1936~1945年期间,祖思根本停不下来,哪怕被两次短期地召去前线。每一次都最终被召回柏林,继续从事在亨舍尔和自己公司的工作。在这九年间,他建造了如今我们所知的6台计算机,分别是Z1、Z2、Z3、Z4,以及专业领域的S1和S2。后四台建造于第二次世界大战开始之后。Z4是在世界大战结束前的几个月里建好的。祖思一开始给它们的简称是V1、V2、V3、V4(取自实验模型或者说原型(Versuchsmodell)的首字母)。战争结束之后,他把V改成了Z,原因很明显译者注。V1(也就是后来的Z1)是项迷人的黑科技:它是台全机械的计算机,却没有用齿轮表示十进制(前个世纪的巴贝奇这么干,正在做霍尔瑞斯制表机的IBM也这么干),祖思要建的是一台全二进制计算机。机器基于的部件里用小杆或金属板的直线移动表示1,不移动表示0(或者相反,因部件而异)。祖思开发了新型的机械逻辑门,并在他父母家的客厅里做出第一台原型。他在自传里提到了发明Z1及后续计算机背后的故事[2]

译者注:祖思把V改成Z,是为了避免与韦纳·冯·布劳恩(Wernher von Braun)研制的火箭的型号名相混淆。

Z1身为机械,却竟也是台现代计算机:基于二进制,使用浮点型表示数据,并能进行四则运算。从穿孔带读入程序(虽然没有条件分支),计算结果可以写入(16字大小的)内存,也可以从内存读出。机器周期在4Hz左右。

Z1与1941年建成的Z3十分相像,Z3的体系结构在《Annals of the History of Computing》中已有描述[3]。然而,迄今仍没有对Z1高层架构细节上的阐述。最初那台原型机毁于1943年的一场空袭。只幸存了一些机械部件的草图和照片。二十世纪80年代,康拉德·祖思在退休多年之后,在西门子和其他一些德国赞助商的赞助之下,建造了一台完整的Z1复制品,今藏于柏林的技术博物馆(如图1所示)。有两名做工程的学生帮着他完成:那几年间,在德国欣费尔德的自家里,他备好全套图纸,精心绘制每一个(要从钢板上切割出来的)机械部件,并亲自监工。Z1复制品的第一套图纸在1984绘制。1986年4月,祖思画了张时间表,预期能在1987年12月完成机器的建造。1989年,机器移交给柏林博物馆的时候,做了不少次运行和算术运算的演示。然而,Z1复制品和之前的原型机一样,从来都不够可靠,无法在无人值守的情况下长时间运行。甚至在揭幕仪式上就挂了,祖思花了几个月才修好。1995年祖思去世之后,这台机器就再没有启动过。

图1:柏林Z1复制品一瞥(来自[Konrad Zuse Internet Archive](

尽管我们有了柏林的Z1复制品,命运却第二次同我们开了玩笑。除了绘制Z1复制品的图纸,祖思并没有正儿八经地把有关它从头至尾的详尽描述写出来(他本意想交给当地的大学来写)。这事儿本是相当必要的,因为拿复制品和1938年的Z1照片对比,前者明显地「现代化」了。80年代高精密的机械仪器使祖思得以在建造机器时,把钢板制成的层片排布得更加紧密。新Z1很明显比它的前身要小得多。而且有没有在逻辑和机械上与前身一一对应也不好说,祖思有可能吸收了Z3及其他后续机器的经验,对复制品做了改进。在19841989年间所画的那套机械图纸中,光加法单元就出现了至少6种不同的设计方案,散布于58个、最终乃至12个机械层片之间注2。祖思没有留下详细的书面记录,我们也就莫名其妙。更糟糕的是,祖思既然第二次建造了Z1,却还是没有留下关于它综合性的逻辑描述。他就像那些著名的钟表匠,只画出表的部件,不做过多阐释——一流的钟表匠确实也不需要过多的说明。他那两个学生只帮忙写了内存和穿孔带读取器的文档,已经是老天有眼[4]。柏林博物馆的参观者只能看着机器里头成千上万的部件惊叹。惊叹之余就是绝望,即使专业的计算机科学家,也难以设想这头机械怪物内部的工作机理。机器就在这儿,但很不幸,只是尸体。

注2:你可以在我们的网页「Konrad Zuse Internet Archive」上找到Z1复制品的所有图纸。

图2:Z1的机械层片。在右侧可以看见八片内存层片,左侧可以看见12片处理器层片。底下的一堆杆子,用来将时钟周期传递到机器的每个角落。

为写这篇论文,我们仔细研究了Z1的图纸和祖思记事本里零散的笔记,并在现场对机器做了大量的观察。这么多年来,Z1复制品都没有运行,因为里头的钢板被压弯了。我们查阅了超过1100张机器部件的放大图纸,以及15000页的笔记本内容(尽管里头只有一小点有关Z1的信息)。我只能看到一段计算机一部分运作的短视频(于几近20年前录制)。慕尼黑的德意志博物馆收藏了祖思论文里出现的1079张图纸,柏林的技术博物馆则收藏了314张。幸运的是,一些图纸里包含着Z1中部分微指令的定义和时序,以及一些祖思一位一位手写出来的例子。这些例子可能是祖思用以检验机器内部运算、发现bug的。这些信息犹如罗塞塔石碑,有了它们,我们得以将Z1的微指令和图纸联系起来,和我们充分理解的继电器计算机Z3(有全套线路信息[5])联系起来。Z3基于与Z1一样的高层架构,但仍存在一些重要差异。

本文由浅入深:首先,了解一下Z1的分块结构、机械部件的布局,以及祖思用到的一些机械门的例子。而后,进一步深入Z1的核心零件:时钟控制的指数和尾数加法单元、内存、算术运算的微序列器。介绍了机械零件之间如何相互作用,「三明治」式的钢板布局如何组织计算。研究了乘除法和输入输出的过程。最后简要总结了Z1的历史地位。

  1.CPU的功能

  (1)程序控制。CPU通过执行指令来控制程序的执行顺序,这是CPU的重要职能。

  (2)操作控制。一条指令功能的实现需要若干操作信号来完成,CPU产生每条指令的操作信号并将操作信号送往不同的部件,控制相应的部件按指令的功能要求进行操作。

  (3)时间控制。CPU对各种操作进行时间上的控制,这就是时间控制。CPU对每条指令的整个执行时间要进行严格的控制。同时,指令执行过程中操作信号的出现时间、持续时间及出现的时间顺序都需要进行严格控制。

  (4)数据处理。CPU通过对数据进行算术运算等方式进行加工处理,数据加工处理的结果被人们所利用。所以,对数据的加工处理是CPU最根本的任务。

电动机

汉斯·克里斯钦·奥斯特(Hans Christian Ørsted 1777-1851),丹麦物理学家、化学家。迈克尔·法拉第(Michael Faraday 1791-1867),英国物理学家、化学家。

1820年4月,奥斯特在实验中发现通电导线会造成附近磁针的偏转,证明了电流的磁效应。第二年,法拉第想到,既然通电导线能带动磁针,反过来,如果固定磁铁,旋转的将是导线,于是解放人力的伟大发明——电动机便诞生了。

电动机其实是件很不稀奇、很笨的发明,它只会一个劲不停地转圈,而机械式桌面计数器的运转本质上就是齿轮的转圈,两者简直是天造地设的一双。有了电动机,计算员不再需要吭哧吭哧地手摇,做数学也终于少了点体力劳动的模样。

2 分块结构

Z1是一台时钟控制的机器。作为机械设备,其时钟被细分为4个子周期,以机械部件在4个相互垂直的方向上的移动来表示,如图3所示(左侧「Cycling unit」)。祖思将一次移动称为一次「衔接(engagement)」。他计划实现4Hz的时钟周期,但柏林的复制品始终连1Hz(4衔接/秒)都超不过。以这速度,一次乘法运算要耗时20秒左右。

图3:根据1989年的复制品,所得的Z1(1936~1938年)框图。原Z1的内存容量只有16字,而不是64字。穿孔带由35毫米电影胶卷制成。每一项指令以8比特位编码。

Z1的诸多特性被后来的Z3所采用。以现在的眼光来看,Z1(见图3)中最重要的革新如有:

  • 基于完全的二进制架构实现内存和处理器。

  • 内存与处理器分离。在复制品中,机器大约一半由内存和穿孔带读取器构成。另一半由处理器、I/O控制台和微控制单元构成。原Z1的内存容量是16字,复制品是64字。

  • 可编程:从穿孔带读入8比特长的指令(其中2位表示操作码译者注、6位表示内存地址,或者以3位表示四则运算和I/O操作的操作码)。因此指令只有8种:四则运算、内存读写、从十进制面板读入数据、将结果寄存器里的内容显示到十进制展板。

译者注:应是指内存读写的操作码。

  • 内存和处理器中的内部数据以浮点型表示。于是,处理器分为两个部分:一部分处理指数,另一部分处理尾数。位于二进制小数点后面的尾数占16个比特。(规格化的浮点数)小数点左边那位永远是1,不需要存。指数占7位,以2的补数形式表示(-64~+63)。用额外的1个比特来存储浮点数的符号位。所以,存储器中的字长为24位(16位尾数、7位指数、1位符号位)。

  • 参数或结果为0的特殊情况(规格化的尾数无法表示,它的第一位永远是1)由浮点型中特殊的指数值来处理。这一点到了Z3才实现,Z1及其复制品都没有实现。因此,Z1及其复制品都处理不了中间结果有0的情况。祖思知道这一短板,但他留到更易接线的继电器计算机上去解决。

  • CPU是微代码结构的:操作被分解成一系列微指令,一个机器周期一条微指令。微指令在算术逻辑单元(ALU)之间产生具体的数据流,ALU不停地运作,每个周期都将两个输入寄存器里的数加一遍。

  • 神奇的是,内存和处理器可以分别独立运行:只要穿孔带给出命令,内存就在通信接口写入或读取数据。处理器也将在执行存取操作时在通信接口写入或读取。可以关闭内存而只运行处理器,此时原本来自内存的数据将变为0。也可以关了处理器而只运行内存。祖思因而可以单独调试机器的两个部分。同时运作时,有一根连接两者周期单元的轴将它们同步起来。

Z1的其他革新与后来Z3中体现出来的想法相似。Z1的指令集与Z3几乎一样,但它算不了平方根。Z1利用废弃的35毫米电影胶卷作为穿孔带。

图3展示了Z1复制品的抽象图。注意机器的两个主要部分:上半部分是内存,下半部分是处理器。每部分都有其自己的周期单元,每个周期进一步分为4个方向上(由箭头标识)的机械移动。这些移动可以靠分布在计算部件下的杠杆带动机器的任何部分。一次读入一条穿孔带上的指令。指令的持续时间各不相同。存取操作耗时一个周期,其他操作则需要多个周期。内存地址位于8位操作码的低6位比特中,允许程序员寻址64个地址。

如图3所示译者注,内存和处理器通过彼此各单元之间的缓存进行通信。在CPU中,尾数的内部表示扩到了20位:二进制小数点前加两位(以表示二进制幂21和20),还有两位表示最低的二进制幂(2-17和2-18),旨在提高CPU中间结果的精度。处理器中20位的尾数可以表示21~2-18的二进制幂。

译者注:原文写的是图1,我觉得是作者笔误,应为图3。

解码器从穿孔带读取器获得指令,判断好操作之后开始按需控制内存单元和处理器。(根据加载指令)将数从内存读到CPU两个浮点数寄存器之一。再根据另一条加载指令将数从内存读到另一个CPU寄存器中。这两个寄存器在处理器里可以相加、相减、相乘或相除。这类操作既涉及尾数的相加,也涉及指数的加减(用2的补码加法器)。乘除结果的符号位由与解码器直接相连的「符号单元」处理。

穿孔带上的输入指令会使机器停止,以便操作人员通过拨动机械面板上的4个十进制位输入数据,同时通过一根小杆输入指数和符号。而后操作员可以重启机器。输出指令也会使机器停止,将结果寄存器中的内容显示到十进制机械面板上,待操作员按下某根小杆,机器重新运行。

图3中的微序列器和指数尾数加法单元共同组成了Z1计算能力的核心。每项算术或I/O操作都被细分为多个「阶段(phases)」。而后微序列器开始计数,并在加法单元的12层机械部件中选择相应层片上合适的微操作。

所以举例来说,穿孔带上最小的程序可以是这样的:1) 从地址1(即第1个CPU寄存器)加载数字;2) 从地址2(即第2个CPU寄存器)加载数字;3) 相加;4) 以十进制显示结果。这个程序因而允许操作员预先定义好一坨运算,把Z1当做简单的机械计算器来用。当然,这一系列运算可能长得多:时可以把内存当做存放常量和中间结果的仓库,编写自动化的系列运算(在后来的Z4计算机中,做数学计算的穿孔带能有两米长)。

Z1的体系结构可以用如下的现代术语来总结:这是一台可编程的通用浮点型冯·诺依曼机(处理器和内存分离),有着只读的外部程序,和24位、16字的存储空间。可以接收4位数的十进制数(以及指数和符号)作为输入,然后将转换为二进制。可以对数据进行四则运算。二进制浮点型结果可以转换回科学记数法表示的十进制数,方便用户读取。指令中不包含条件或无条件分支。也没有对结果为0的异常处理。每条指令拆解为机器里「硬接线」的微指令。微序列器规划着微指令的执行。在一个仅存的机器运行的视频中,它宛若一台织布机。但它编织的是数字。

 

电磁继电器

约瑟夫·亨利(Joseph Henry 1797-1878),美国科学家。爱德华·戴维(Edward Davy 1806-1885),英国物理学家、科学家、发明家。

电磁学的价值在于摸清了电能和动能之间的转换,而从静到动的能量转换,正是让机器自动运行的关键。而19世纪30年代由亨利和戴维所分别发明的继电器,就是电磁学的重要应用之一,分别在电报和电话领域发挥了重要作用。

电磁继电器(原图来自维基「Relay」词条)

其结构和原理十分简单:当线圈通电,产生磁场,铁质的电枢就被吸引,与下侧触片接触;当线圈断电,电枢就在弹簧的作用下上扬,与上侧触片接触。

在机电设备中,继电器主要发挥两方面的作用:一是通过弱电控制强电,使得控制电路可以控制工作电路的通断,这一点放张原理图就能一目了然;二是将电能转换为动能,利用电枢在磁场和弹簧作用下的往返运动,驱动特定的纯机械结构以完成计算任务。

继电器弱电控制强电原理图(原图来自网络)

3 机械部件的布局

柏林的Z1复制品布局非常清晰。所有机械部件似乎都以完美的方式布放。我们先前提过,对于处理器,祖思至少设计了6个版本。但是主要部件的相对位置一开始就确定了,大致能反映原Z1的机械布局。主要有两个部分:分别是的内存和处理器,由缝隙隔开(如图3所示)。事实上,它们分别安装在带滚轮的桌子上,可以扯开了进行调试。在水平方向上,可以进一步把机器细分为包含计算部件的上半部分和包含所有同步杠杆的下半部分。参观者只有弯腰往计算部件下头看才能看到Z1的「地下世界」。图4是设计图里的一张绘稿,展示了处理器中部分计算和同步的层片。请看那12层计算部件和下侧区域的3层杠杆。要理解那些绘稿是有多难,这张图纸就是个绝好的例子。上面尽管有不少关于各部件尺寸的细节,但几乎没有其功用方面的注解。

图4:Z1(指数单元)计算和同步层片的设计图

图5是祖思画的Z1复制品俯视图,展示了逻辑部件的分布,并标注了每个区域的逻辑功能(这幅草图在20世纪90年代公开)。在上半部分,我们可以看到3个存储仓。每个仓在一个层片上可以存储8个8比特长的字。一个仓有8个机械层片,所以总共能存64字。第一个存储仓(10a)用来存指数和符号,后两个(10b、10c)存低16位的尾数。用这样的比特分布存放指数和尾数,只需构建3个完全一样的8位存储仓,简化了机械结构。

内存和处理器之间有「缓存」,以与处理器(12abc)进行数据交互。不能在穿孔带上直接设常数。所有的数据,要么由用户从十进制输入面板(图右侧18)输入,要么是计算机自己算得的中间结果。

图中的所有单元都仅仅展示了最顶上的一层。切记Z1可是建得犹如一坨机械「三明治」。每一个计算层片都与其上下层片严格分离(每一层都有金属的地板和天花板)。层间的通信靠垂直的小杆实现,它们可以把移动传递到上层或下层去。画在表示计算层片的矩形之间的小圆圈就是这些小杆。矩形里那些稍大一点的圆圈代表逻辑操作。我们可以在每个圆圈里找见一个二进制门(纵贯层片,每个圆圈最多有12个门)。根据此图,我们可以估算出Z1中逻辑门的数量。不是所有单元都一样高,也不是所有层片都布满着机械部件。保守估计,共有6000个二进制零件组成的门。

图5:Z1示意图,展示了其机械构造的分区。

祖思在图5中给机器的不同模块标上号。各模块的作用如下:

内存区域

  • 11a:6位内存地址的解码器
  • 11b:穿孔带读取器和操作码解码器
  • 10a:7位指数和符号的存储仓
  • 10b、10b:尾数小数部分的存储仓
  • 12abc:加载或存储操作下与处理器交互的接口

处理器区域

  • 16:控制和符号单元
  • 13:指数部分中两个ALU寄存器的多路复用器
  • 14ab:ALU寄存器的多路复用器,乘除法的1比特双向移位器
  • 15a:指数的ALU
  • 15bc:规格化尾数的20位ALU(18位用于小数部分)
  • 17:微代码控制
  • 18:右侧是十进制输入面板,左侧是输出面板

不难想象这幅示意图中从上至下的计算流程:数据从内存出来,进入两个可寻址的寄存器(我们称为F和G)。这两个寄存器是沿着区域13和14ab分布的。再把它们传给ALU(15abc)。结果回传给寄存器F或G(作为结果寄存器),或回传到内存。可以使用「反译」(从二进制转换为十进制)指令将结果显示为十进制。

下面我们来看看各个模块更多的细节,集中讨论主要的计算部件。

  2.CPU的组成

  CPU主要由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等部件组成。

  1)运算器。

  运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成。它是数据加工处理部件,完成计算机的各种算术和逻辑运算。运算器所进行的全部操作都是有控制器发出的控制信号来指挥的,所以它是执行部件。运算器有如下两个主要功能。

  (1)执行所有算术运算,如加、减、乘、除等基本运算及附加运算。

  (2)执行所有的逻辑运算并进行逻辑测试,如与、或、非、零值测试或两个值的比较等。

运算器的各组成部件的组成和功能

  (1)算术逻辑单元(ALU)。ALU是运算器的重要组成部件,负责处理数据,实现对数据的算术运算和逻辑运算。

  (2)累加寄存器(AC)。AC通常简称为累加器,他是一个通用寄存器。其功能是当运算器的算术逻辑单元执行算数或逻辑运算时,为ALU提供一个工作区。

  (3)数据缓冲寄存器(DR)。在对内存储器进行读写操作时, 用DR暂时存放由内存储器读写的一条指令或一个数据字,将不同时间段内读写的数据隔离开来。DR的主要作用是:作为CPU和内存、外部设备之间数据传送的中转站;作为CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的缓冲;在单累加器结构的运算器中,数据缓冲寄存器还可兼做为操作数寄存器。

  (4)状态条件寄存器(PSW)。PSW保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条件码内容,主要分为状态标志和控制标志,如运算结果进位标志(C)、运算结果溢出标志(V)、运算结果为0标志(Z)、运算结果为负标志(N)、中断标志(I)、方向标志(D)和单步标志等。

  

  2)控制器

  运算器只能完成运算,而控制器用于控制整个CPU的工作,它决定了计算机运行过程的自动化。它不仅要保证程序的正确执行,而且要能够处理异常事件。控制器一般包括指令控制逻辑、时序控制逻辑、总线控制逻辑和中断控制逻辑几个部分。

  a>指令控制逻辑要完成取指令、分析指令和执行指令的操作,其过程分为取指令、指令译码、按指令操作码执行、形成下一条指令地址等步骤。

  步骤:(1)指令寄存器(IR)。当CPU执行一条指令时,先把它从内存储器取到缓冲寄存器中,再送入指令寄存器(IR)暂存,指令译码器根据指令寄存器(IR)的内容产生各种微操作指令,控制其他的组成部件工作,完成所需的功能。

       (2)程序计数器(PC)。PC具有寄存信息和计数两种功能,又称为指令计数器。程序的执行分两种情况,一是顺序执行,二是转移执行。在程序开始执行前,将程序的起始地址送入PC,该地址在程序加载到内存时确定,因此PC的内容即是程序第一条指令的地址。执行指令时,CPU将自动修改PC的内容,以便使其保持的总是将要执行的下一条指令地址。由于大多数指令都是按照顺序执行的,所以修改的过程通常只是简单地对PC+1。当遇到转移指令时,后继指令的地址根据当前指令的地址加上一个向前或向后转移的位移量得到,或者根据转移指令给出的直接转移的地址得到。

     (3)地址寄存器(AR)。AR保存当前CPU所访问的内存单元的地址。由于内存和CPU存在着操作速度上的差异,所以需要使用AR保持地址信息,直到内存的读/写操作完成为止。

     (4)指令译码器(ID)。指令分为操作码和地址码两部分,为了能执行任何给定的指令,必须对操作码进行分析,以便识别所完成的操作。指令译码器就是对指令中的操作码字段进行分析解释,识别该指令规定的操作,向操作控制器发出具体的控制信号,控制控制各部件工作,完成所需的功能。

  b>时序控制逻辑要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。

  c>总线逻辑是为多个功能部件服务的信息通路的控制电路。

  d>中断控制逻辑用于控制各种中断请求,并根据优先级的高低对中断请求进行排队,逐个交给CPU处理。

  

  3)寄存器组

   寄存器组可分为专用寄存器和通用寄存器。运算器和控制器中的寄存器是专用寄存器,其作用是固定的。通用寄存器用途广泛并可由程序员规定其用途,其数目因处理器不同有所差异。

 

制表机(tabulator/tabulating machine/unit record equipment/electric accounting machine)

从1790年开始,美国的人口普查基本每十年进行一次,随着人口繁衍和移民的增多,人口数量那是一个爆炸。

前十次的人口普查结果(图片截自维基「United States Census」词条)

我做了个折线图,可以更直观地感受这洪水猛兽般的增长之势。

不像现在这个的互联网时代,人一出生,各种信息就已经电子化、登记好了,甚至还能数据挖掘,你无法想象,在那个计算设备简陋得基本只能靠手摇进行四则运算的19世纪,千万级的人口统计就已经是当时美国政府所不能承受之重。1880年开始的第十次人口普查,历时8年才最终完成,也就是说,他们休息上两年之后就要开始第十一次普查了,而这一次普查,需要的时间恐怕要超过10年。本来就是十年统计一次,如果每次耗时都在10年以上,还统计个鬼啊!

当时的人口调查办公室(1903年才正式成立美国人口调查局)方了,赶紧征集能减轻手工劳动的发明,就此,霍尔瑞斯带着他的制表机完虐竞争对手,在方案招标中脱颖而出。

赫尔曼·霍尔瑞斯(Herman Hollerith 1860-1929),美国发明家、商人。

霍尔瑞斯的制表机首次将穿孔技术应用到了数据存储上,一张卡片记录一个居民的各项信息,就像身份证一样一一对应。聪明如你一定能联想到,通过在卡片对应位置打洞(或不打洞)记录信息的方式,与现代计算机中用0和1表示数据的做法简直一毛一样。确实这可以看作是将二进制应用到计算机中的思想萌芽,但那时的设计还不够成熟,并未能如今这般巧妙而充分地利用宝贵的存储空间。举个例子,我们现在一般用一位数据就可以表示性别,比如1表示男性,0表示女性,而霍尔瑞斯在卡片上用了两个位置,表示男性就在标M的地方打孔,女性就在标F的地方打孔。其实性别还凑合,表示日期时浪费得就多了,12个月需要12个孔位,而真正的二进制编码只需要4位。当然,这样的局限与制表机中简单的电路实现有关。

1890年用于人口普查的穿孔卡片,右下缺角是为了避免不小心放反。(图片来自《Hollerith 1890 Census Tabulator》)

有专门的打孔员使用穿孔机将居民信息戳到卡片上,操作面板放大了孔距,方便打孔。(原图来自《Hollerith 1890 Census Tabulator》)

细心如你有没有发现操作面板居然是弯的(图片来自《Hollerith 1890 Census Tabulator》)

有没有一点熟悉的赶脚?

没错,简直就是现在的人体工程学键盘啊!(图片来自网络)

这的确是当时的人体工程学设计,目的是让打孔员每天能多打点卡片,为了节省时间他们也是蛮拼的……

在制表机前,穿孔卡片/纸带在各类机器上的作用主要是存储指令,比较有代表性的,一是贾卡的提花机,用穿孔卡片控制经线提沉(详见《现代计算机真正的鼻祖》),二是自动钢琴(player piano/pianola),用穿孔纸带控制琴键压放。

贾卡提花机

之前很火的美剧《西部世界》中,每次循环开始都会给一个自动钢琴的特写,弹奏起看似宁静安逸、实则诡异违和的背景乐。

为了彰显霍尔瑞斯的开创性应用,人们直接把这种存储数据的卡片叫做「Hollerith card」。(截图来自百度翻译)

打好了孔,下一步就是将卡片上的信息统计起来。

读卡装置(原图来自专利US395781)

制表机通过电路通断识别卡上信息。读卡装置底座中内嵌着与卡片孔位一一对应的管状容器,容器里盛有水银,水银与导线相连。底座上方的压板中嵌着同样与孔位一一对应的金属针,针抵着弹簧,可以伸缩,压板的上下面由导电材料制成。这样,当把卡片放在底座上,按下压板时,卡片有孔的地方,针可以通过,与水银接触,电路接通,没孔的地方,针就被挡住。

读卡原理示意图,图中标p的针都穿过了卡片,标a的针被挡住。(图片来自《Hollerith 1890 Census Tabulator》)

如何将电路通断对应到所需要的统计信息?霍尔瑞斯在专利中给出了一个简单的例子。

涉及性别、国籍、人种三项信息的统计电路图,虚线为控制电路,实线为工作电路。(图片来自专利US395781,下同。)

实现这一功能的电路可以有多种,巧妙的接线可以节省继电器数目。这里我们只分析上头最基础的接法。

图中有7根金属针,从左至右标的分别是:G(类似于总开关)、Female(女)、Male(男)、Foreign(外国籍)、Native(本国籍)、Colored(有色人种)、White(白种人)。好了,你终于能看懂霍尔瑞斯龙飞凤舞的字迹了。

这个电路用于统计以下6项组合信息(分别与图中标M的6组电磁铁对应):

① native white males(本国的白种男)

② native white females(本国的白种女)

③ foreign white males(外国的白种男)

④ foreign white females(外国的白种女)

⑤ colored males(非白种男)

⑥ colored females(非白种女)

以第一项为例,如果表示「Native」、「White」和「Male」的针同时与水银接触,接通的控制电路如下:

描死我了……

这一示例首先展示了针G的作用,它把控着所有控制电路的通断,目的有二:

1、在卡片上留出一个专供G通过的孔,以防止卡片没有放正(照样可以有部分针穿过错误的孔)而统计到错误的信息。

2、令G比其他针短,或者G下的水银比其他容器里少,从而确保其他针都已经接触到水银之后,G才最终将整个电路接通。我们知道,电路通断的瞬间容易产生火花,这样的设计可以将此类元器件的损耗集中在G身上,便于后期维护。

不得不感慨,这些发明家做设计真的特别实用、细致。

上图中,橘黄色箭头标识出3个相应的继电器将闭合,闭合之后接通的工作电路如下:

上标为1的M电磁铁完成计数工作

通电的M将产生磁场, 牵引特定的杠杆,拨动齿轮完成计数。霍尔瑞斯的专利中没有给出这一计数装置的具体结构,可以想象,从十七世纪开始,机械计算机中的齿轮传动技术已经发展到很成熟的水平,霍尔瑞斯无需重新设计,完全可以使用现成的装置——用他在专利中的话说:「any suitable mechanical counter」(任何合适的机械计数器都OK)。

M不单控制着计数装置,还控制着分类箱盖子的开合。

分类箱侧视图,简单明了。

将分类箱上的电磁铁接入工作电路,每次完成计数的同时,对应格子的盖子会在电磁铁的作用下自动打开,统计员瞟都不用瞟一眼,就可以左手右手一个快动作将卡片投到正确的格子里。由此完成卡片的快速分类,以便后续进行其他方面的统计。

跟着我右手一个快动作(图片来自《Hollerith 1890 Census Tabulator》,下同。)

每天工作的最后一步,就是将示数盘上的结果抄下来,置零,第二天继续。

1896年,霍尔瑞斯创立了制表机公司(The Tabulating Machine Company),1911年与另外三家公司合并成立Computing-Tabulating-Recording Company(CTR),1924年更名为International Business Machines Corporation(国际商业机器公司),就是现在大名鼎鼎的IBM。IBM也因此在上个世纪风风火火地做着它拿手的制表机和计算机产品,成为一代霸主。

制表机在当时成为与机械计算机并存的两大主流计算设备,但前者通常专用于大型统计工作,后者则往往只能做四则运算,无一具有通用计算的能力,更大的变革将在二十世纪三四十年代掀起。

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