空氣微處理器簡(jiǎn)單介紹

除了標(biāo)準(zhǔn)電子計(jì)算機(jī)，人類還沒(méi)有其他更快捷的方法進(jìn)行運(yùn)算(除了一種用大腸桿菌進(jìn)行運(yùn)行的概念計(jì)算機(jī)之外)。不過(guò)美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一種新型的微處理器，該處理器僅通過(guò)空氣的進(jìn)出就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算。這種運(yùn)算方法是由美國(guó)密歇根大學(xué)安娜堡分校的李明松(Minsoung Rhee，音譯)和馬克·伯恩斯(Mark Burns)發(fā)明的。整個(gè)微型處理器由很多復(fù)雜的路線和閥門組成。

兩位研究人員運(yùn)用這種方式得到了多種的邏輯門、觸發(fā)器和移位寄存器。他們將這些關(guān)聯(lián)在一起，最終發(fā)明了這種由空氣控制的8位微處理器。這種微機(jī)能處理的最長(zhǎng)離散數(shù)據(jù)為8位二進(jìn)制數(shù)，和上個(gè)世紀(jì)80年代使用的處理器很類似(如Nintendo娛樂(lè)系統(tǒng))。

已經(jīng)有許多微流控系統(tǒng)采用了氣動(dòng)閥來(lái)控制液流，因?yàn)槭褂脷鈩?dòng)控制電路要相對(duì)簡(jiǎn)單省錢。雖然該設(shè)備要求芯片外的環(huán)境必須是真空的，但該微處理器的體積非常小，所需真空環(huán)境是可通過(guò)手泵來(lái)獲得。

這種空氣處理器的功能遠(yuǎn)不止運(yùn)算數(shù)據(jù)這么簡(jiǎn)單。它對(duì)一些尖端實(shí)驗(yàn)室芯片的改進(jìn)也很有幫助。改進(jìn)后的芯片將能夠自動(dòng)完成一系列復(fù)雜的化學(xué)任務(wù)，或者對(duì)疾病和DNA進(jìn)行測(cè)試，以及一些其他的實(shí)驗(yàn)室工作。

馬克·伯恩斯也指出，這種新型的微流體裝置還沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際生活中，因?yàn)檎麄€(gè)項(xiàng)目需要大量的資金，而且一些芯片和元件非常昂貴。雖然采用邏輯電路可以降低運(yùn)行成本，但是大多數(shù)微流體裝置時(shí)不帶電子元件的，而在設(shè)備上安裝標(biāo)準(zhǔn)的電子閥又需要使用全新的制造工藝。

英國(guó)倫敦帝國(guó)學(xué)院微流體專家安德魯·德梅洛(Andrew de Mello)認(rèn)為，對(duì)于發(fā)展中國(guó)家而言，簡(jiǎn)易操作法可讓微流控設(shè)備更加實(shí)用。他表示:真空可通過(guò)手泵產(chǎn)生，表明這些設(shè)備的功率很低，適宜偏遠(yuǎn)地區(qū)使用。

微處理器一般由下列部件組成:

算術(shù)邏輯單元(ALU，Arithmetic Logical Unit);累加器和通用寄存器組;程序計(jì)數(shù)器(也叫指令指標(biāo)器);時(shí)序和控制邏輯部件;數(shù)據(jù)與地址鎖存器/緩沖器;內(nèi)部總線。

算術(shù)邏輯單元ALU主要完成算術(shù)運(yùn)算(+、-、×、÷、比較)和各種邏輯運(yùn)算(與、或、非、異或、移位)等操作。ALU是組合電路，本身無(wú)寄存操作數(shù)的功能，因而必須有保存操作數(shù)的兩個(gè)寄存器:暫存器TMP和累加器AC()，累加器既向ALU提供操作數(shù)，又接收ALU的運(yùn)算結(jié)果。

寄存器陣列實(shí)際上相當(dāng)于微處理器內(nèi)部的RAM，它包括通用寄存器組和專用寄存器組兩部分，通用寄存器(A，B，C，D)用來(lái)存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)、中間結(jié)果或地址。它們一般均可作為兩個(gè)8位的寄存器來(lái)使用。處理器內(nèi)部有了這些寄存器之后，就可避免頻繁地訪問(wèn)存儲(chǔ)器，可縮短指令長(zhǎng)度和指令執(zhí)行時(shí)間，提高機(jī)器的運(yùn)行速度，也給編程帶來(lái)方便。專用寄存器包括程序計(jì)數(shù)器PC()、堆棧指示器SP()和標(biāo)志寄存器FR()，它們的作用是固定的，用來(lái)存放地址或地址基值。其中:

A)程序計(jì)數(shù)器PC用來(lái)存放下一條要執(zhí)行的指令地址，因而它控制著程序的執(zhí)行順序。在順序執(zhí)行指令的條件下，每取出指令的一個(gè)字節(jié)，PC的內(nèi)容自動(dòng)加1。當(dāng)程序發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，就必須把新的指令地址(目標(biāo)地址)裝入PC，這通常由轉(zhuǎn)移指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。

B)堆棧指示器SP用來(lái)存放棧頂?shù)刂?。堆棧是存?chǔ)器中的一個(gè)特定區(qū)域。它按"后進(jìn)先出"方式工作，當(dāng)新的數(shù)據(jù)壓入堆棧時(shí)，棧中原存信息不變，只改變棧頂位置，當(dāng)數(shù)據(jù)從棧彈出時(shí)，彈出的是棧頂位置的數(shù)據(jù)，彈出后自動(dòng)調(diào)正棧頂位置。也就是說(shuō)，數(shù)據(jù)在進(jìn)行壓棧、出棧操作時(shí)，總是在棧頂進(jìn)行。堆棧一旦初始化(即確定了棧底在內(nèi)存中的位置)后，SP的內(nèi)容(即棧頂位置)使由CPU自動(dòng)管理

C)標(biāo)志寄存器也稱程序狀態(tài)字(PSW)寄存器，用來(lái)存放算術(shù)、邏輯運(yùn)算指令執(zhí)行后的結(jié)果特征，如結(jié)果為0時(shí)，產(chǎn)生進(jìn)位或溢出標(biāo)志等。

定時(shí)與控制邏輯是微處理器的核心控制部件，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制、包括從存儲(chǔ)器中取指令，分析指令(即指令譯碼)確定指令操作和操作數(shù)地址，取操作數(shù)，執(zhí)行指令規(guī)定的操作，送運(yùn)算結(jié)果到存儲(chǔ)器或I/O端口等。它還向微機(jī)的其它各部件發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，使CPU內(nèi)、外各部件間協(xié)調(diào)工作。

內(nèi)部總線用來(lái)連接微處理器的各功能部件并傳送微處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。必須指出，微處理器本身并不能單獨(dú)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的工作系統(tǒng)，也不能獨(dú)立地執(zhí)行程序，必須配上存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)后才能獨(dú)立工作。