CPU Architecture

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从NAND开始构建所有基础logic gate并且最终完成一个turing complete的基础的，可编程的计算机结构。基于游戏turing complete。

Basic Logic

Basic_Logic

Crude Awakening

1.1

Input Output
1 1
0 0

Input=Output

基础连接教程

NAND Gate

1.2

Input1 Input2 Output
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0

(Input1*Input2)=Output

NOT Gate

1.3

Input Output
1 0
0 1

Input’=Output

AND Gate

1.4

Input1 Input2 Output
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

Input1*Input2=Output

NOR Gate

1.5

Input1 Input2 Output
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0

(Input1+Input2)’=Output

OR Gate

1.6

Input1 Input2 Output
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

Input1+Input2=Output

Always On

1.7

Input Output
1 1
0 1

1=Output

Second Tick

1.8

Input1 Input2 Output
0 0 0
0 1 0
1 0 1
1 1 0

Input1*Input2’=Output

XOR Gate

1.9

Input1 Input2 Output
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0

Input1*Input2’+Input1’*Input2=Output

Bigger OR Gate

1.10

Input1+Input2+Input3=Output

Bigger AND Gate

1.11

Input1Input2Input3=Output

XNOR Gate

1.12

Input1 Input2 Output
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1

(Input1*Input2’+Input1’*Input2)’=Output

Arthmetic

Arthmetic_Memory.png

Binary Racer

None

Double Trouble

2.2

输出1如果大于或等于2个inputs为1

ODD Number of Signals

2.3

输出1如果1个或3个inputs为1

Counting Signals

2.4

输出inputs为1的terminal的数量。output是3 bits输出，可为000， 001， 010， 011， 100
1.首先由ODD Number of Signals决定最后一位
2.再由Double Trouble找出大于等于2的情况，并和(3.)连接一个XOR去除找出全为1的情况
3.将4个terminals用and连接找出全为1的情况

Half Adder

2.5

Input1 Input2 Sum Carry
0 0 0 0
0 1 1 0
1 0 1 0
1 1 0 1

统计Input True数量，只有两个Inputs的Counting Signals
Sum: 个位
Carry: 十位

Double the Number

2.6

Bits Shift Left

Full Adder

2.7

Input1 Input2 Input3 Sum Carry
0 0 0 0 0
0 0 1 1 0
0 1 0 1 0
0 1 1 0 1
1 0 0 1 0
1 0 1 0 1
1 1 0 0 1
1 1 1 1 1

统计Input True数量，只有三个Inputs的Counting Signals
Sum: 个位
Carry: 十位

Byte OR

2.8

暴力堆叠

Byte NOT

2.9

Adding Byte

2.10

Negative Numbers

None

Signed Negator

2.12

转负数

1 bit decoder

2.13

1 bit解码器，将两种情况分别用两个output terminals输出

3 bit decoder

2.14
3 bit解码器，计算机设计最常用的器件之一，可以很方便的解码program coding，特别是分析opcode的指令

Logic Engine

2.15

3 bits解码器简单应用，用decoder控制输出的数据是or nor and nand这四种里的一种情况

Memory

Arthmetic_Memory.png

Circular Dependency

None

Delayed Lines

3.2

过一个tick输出上一个tick内容

Odd Ticks

3.3

在奇数tick才会输出1

Bit Switch

3.4

使用一个可选择开关的component

Bit Inverter

3.5

只有两个inputs不一样才会输出1

Input Selector

3.6

根据上边input bit来选择输出下边那个数据

Bus

3.7

设计一种总线来统一转递数据和控制数据传递

Saving Gracefully

3.8

上边是save，下边是value，当save为1时更新output为value的值，1 bit memory, register的基础

Saving Bytes

3.9

用1 bit memory来保存1 byte的数据

Little Box

3.10

最上边两个为loading and saving，然后是选择A/B和0/1，并最终定位到四个register中的一个，来操作saving或loading操作

Counter

3.11

平时每过一个tick就加1，如果overwrite为1就直接写入input的数值，之后program时用来读取程序的component

CPU Architecture

CPU_Architecture

Arithmetic Engine

4.1

最上边的是1 byte输入，通过不同的输入分别输出不同的运算结果

Input Operation
0 OR
1 NAND
2 NOR
3 AND
4 ADD
5 SUB

Register

4.2

3输入分别为loading，saving和saved value。输出的话上边的output只有在loading为1时才输出，下边在任何时候都会输出

Decoder

4.3

3 bits decoder的简单应用

Calculations

4.4

Arithmetic Engine的扩展运用，基本一致

Input Operation
0 OR
1 NAND
2 NOR
3 AND
4 ADD
5 SUB
6 XOR

Conditions

4.5

根据上边的输入选择不同的判断条件，如果输入符合就输出1，不符合输出0。类似if的判断逻辑

Input Condition
0 NEVER(Always off)
1 =0
2 <0
3 <=0
4 ALWAYS(Always on)
5 !=0
6 >=0

Turing Complete

4.6

一个可以编程的可运算图灵完备的结构，配备program ram，counter，6 registers，compute，condition。
任何将saving，loading，或calculation的值都会先输入到一个bus内统一调取。
每个program里的数据为1 byte，最后两位控制这个数据的类型并由DEC解码和控制：

bits(7 and 8 bit) type
00 IMMEDIATE
01 COMPUTE
10 COPY
11 CONDITION

10

两个3 bits decoders分别控制6个registers，input and output的loading和saving操作
如指令 10 110 001 意思是将input and output 里的数据复制到reg1里

VALUE(1-3bits for saving, 4-6bits for loading) component
0 reg0
1 reg1
2 reg2
3 reg3
4 reg4
5 reg5
6 input and output

00

如果为00，将直接将前6位bits写入reg0，直接disable 2个3 bits decorders，并将value直接saving进reg0内
如 00 000 010 将直接在reg0内写入数值2
注意这个方法只能最大写入2^6=64到reg0内

01

如果为01，ALU将被enabled并根据1-3 bits判断计算方式，如之前的Calculations：

Input Operation
0 OR
1 NAND
2 NOR
3 AND
4 ADD
5 SUB
6 XOR

reg1和reg2内的数值将分别当作input1和input2，并将result自动存入reg3内
如 01 000 100 将自动把reg1和reg2内的值相加，并存储到reg3内

11

如果为11，机器将根据COND里的逻辑分析1-3 bits：

Input Condition
0 NEVER(Always off)
1 =0
2 <0
3 <=0
4 ALWAYS(Always on)
5 !=0
6 >=0

机器将自动读取reg3内的值输入，如果条件成立，会自动loading reg0内的值并赋值给counter来达到跳转的效果，类似if语句内达到条件就运行新语句的效果
如 11 000 100 就会一直将reg0内的值赋予counter，做到汇编内JMP的效果

program example

Name code
MOV 10 000 000
from_REG1 00 001 000
to_REG1 00 000 001
AND 01 000 011
JMP 11 000 100 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
//计算一个数除以4后的余数，可以将这个数和3进行AND操作来计算
//如 7%4=0000 0111 & 0000 0011=0000 0011=3
label loop //标记一个标签点

3 //将3写入reg0
MOV+REG0+to_REG1 //将reg0的值复制到reg1
MOV+INPUT+to_REG2 //将输入的值复制到reg2
AND //将reg1和reg2内的值进行byte AND操作，输入reg3
MOV+from_REG3+OUTPUT //将reg3的值输出到output

loop //将loop标记点的地址写入reg0
JMP //always condition，每次都会将reg0内的值写入counter进行转跳

一行代码可以选择将不同的命令相加来达到灵活编程的目的，如MOV+REG0+to_REG1=10 000 000+00 000 000+00 000 001=10 000 001=将reg0内的值复制到reg1