【计算机系统架构】从0开始构建一台现代计算机|时序逻辑、主存储器|第2章

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往期回顾：【计算机系统架构】从0开始构建一台现代计算机|二进制、布尔运算和ALU|第2章
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—— 周国平

0、前言

一言以蔽之： 在构建了计算机的 ALU 之后，本 Modulation 将转向构建计算机的主存储器单元，也称为随机存取存储器或RAM。这项工作将自下而上逐步完成，从初级触发器门到一位寄存器，再到 n 位寄存器，直至一系列 RAM 芯片。与基于组合逻辑的计算机处理芯片不同，计算机的存储逻辑需要基于时钟的顺序逻辑（时序逻辑电路）。我们将首先概述这一理论背景，然后构建我们的内存芯片组。
关键概念：组合逻辑与时序逻辑、时钟与周期、触发器、寄存器、RAM 单元、计数器。

1、时序逻辑（Sequential Logic）

1.0 前言

在前面两章中，我们学习到一些逻辑门，他们代表着输入和输出的映射关系。但是我们并没有“时间”的概念，更通俗来说，我们的概念中，并不是先有输入，然后才有了输出；而是在输入的同一时间即刻得到的输出，我们并没有“One thing after an other”的概念。

但是现实生活中我们必须关注“时间”，因为我们就是生活在时间当中的，我们的任何行动和行为都是具有时间概念的，计算机也必须拥有时间，也才能更好地像人一样工作，否则则是混乱的。

💁🏻‍♀️其实在本节学习计算机中的"时间"这个概念的时候，老师说我们之前几节学的组合逻辑，并不是先有输入，然后才有了输出（one after another)；我其实比较纳闷，哪电流信号从输入信号流入，通过组合逻辑电路得到输出，肯定有时间的呀！！
但其实我这种想法是比较错误的，对于我们人来说，的确是有时间的，但是对于计算机来说，其实是没有时间的，因为你没有给它这个概念，时间也无法度量，对于它来说其实并不是`one thing after another"的。

要想计算机拥有时间的概念之前，我们再来深入地分析一下，时间的作用。

1.1 时间的作用

Use the same hardware over time（硬件的复用性）

组合逻辑电路是可以复用的，但它的复用方式和时间的关系不同。我们先来理解组合逻辑电路和时间之间的关系。

组合逻辑电路是一种不涉及存储的电路。它根据输入直接产生输出，输出完全由当前输入决定，和时间无关。所以，对于同样的输入，组合逻辑电路总是会立即产生相同的输出，不管什么时候输入是一样的，它都能立刻给出结果。

但是，当我们说到需要“复用硬件”时，指的是计算机需要处理连续的、不同的计算任务，而这些任务不可能在同一时间内同时完成。时间在这里的作用是让计算机能够依次处理这些任务。例如，如果你有多个加法操作要进行，虽然组合逻辑电路可以同时处理多个加法，但硬件资源有限（例如一块特定的加法电路），计算机会按顺序利用这块电路来完成不同的加法任务。

所以，组合逻辑电路本身是可以复用的，但复用它时依然需要时间。因为我们希望通过一个硬件单元（例如加法器）来处理不同的输入和任务，而不是为每个任务都配备独立的硬件。时间允许我们复用同一块硬件去完成多个操作，这样就可以节约资源。

总的来说，复用硬件是指在不增加额外硬件的情况下，通过时间的控制，让一块硬件能够连续完成多个任务。
Remember state
记录中间状态

比如我们要计算一个数累加100次，如果不能记录每次中间得到的结果，就不可能得到正确答案
Deal with speed

这段话主要讲了一个我们不想特别关心，但又必须考虑的关于时间的因素：计算机的速度有限。

具体来说，计算机处理任务的速度并不是无限的，它有一个固定的、有限的运行速度。因此，我们在设计程序或系统时，必须考虑到计算机的这个限制。我们不能要求计算机超出它的能力去完成任务，或者至少要知道计算机的运行速度是多少，这样才能合理地安排任务的执行。

打个比方，就像我们不可能要求一个人每秒钟完成100件事一样，计算机也有它的极限。即使我们希望计算机能尽快完成任务，但实际上它的速度是受限的。因此，我们需要确保我们的程序不会让计算机超负荷工作，或者根据它的速度合理地安排计算任务，以避免程序崩溃或运行不稳定。

总结一下：虽然我们更关注如何复用硬件和处理连续任务，但我们也必须注意到计算机的运行速度有限，不能让它超出能力范围工作。因为计算机不能超出其最大速度去处理任务，所以我们需要合理安排任务的顺序和执行时间。这也就是为什么我们说计算机的有限速度让时间变得重要。时间在这里的作用是分配和协调任务，确保计算机有足够的时间去完成每一项操作。

1.2 时钟

时钟是计算机里来衡量和表示时间的方法。和现实世界中的时钟一样，它的作用就算将连续的时间信号离散化，变为一个一个单位进行时间的衡量。

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如上图，物理世界中的时间是连续的，而时钟的作用就是将时间离散化、量化，变成一个时间序列：time=1、time=2、time=3...。一个周期就是一个时间单位；在一个整数时间单位内，我们认为电路中不会有信号的改变。

在把时间量化后，输入输出的时间先后顺序是这样表示的：在t-1这个时间单位输出做出的改变，会在t时刻输出。这就完全不同于之前没有先后顺序的组合逻辑电路：在t-1这个时间单位输出做出的改变，会在t-1时刻l立刻输出。

👧🏻所以我个人认为拥有时钟来表示时间，就是量化时间，从而更好地更清晰的表示先后顺序，从而保证系统的稳定性，这点可以在下一节讲信号的延迟中可以看出。

1.3 信号的延迟

这点也进一步解释了我们为什么希望使用clock来将时间离散化，目的也是为了忽略不计这些信号的延迟！避免延迟带来的影响。对时钟时间周期选择的目的（不能太快，当然也不能太慢）的目的就是为了让硬件运行地更加稳定。

上面我们提到，虽然在组合电路中，对于计算里来说，是没有时间概念的；但是我们知道，在电路中，输入的物理信号用电信号表示，从输入到输出，是电子流动和聚集的过程，这在现实的物理世界中肯定是需要时间的，且在这段时间内的电信号变化是连续的而非条约的。即：从输入信号到输出信号存在延迟。

而在计算机内部建立起这种离散化的数字时间，其实也是为了避免信号的延迟！

为什么这么说呢？如下图，只要我们的时钟的速度不是太快，在连续的延迟之间流出足够多的时间等待信号达到稳定（即灰色区域后），当周期结束时，即可取得最终稳定的信号：

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事实上，在选取时钟周期的前提也是确保所有的硬件都能稳定下来。

1.4 组合逻辑和时序逻辑的区别

$\bullet\text{Combinatorial: }out[t]=function(\:in[t]\:)\\\bullet\text{ Sequential: }out[t]=function(\:in[t-1]\:)$

其实在上面的1.2小节已经讲到过了：

下面这个例子也是对组合逻辑和时序逻辑的比较：

组合逻辑：
时序逻辑：

2、时序逻辑的基本单元：D触发器（D Flip-Flop)

D触发器是时序逻辑电路的基础，它可以保存一个bit的信息，这也为之后保存大量的字节内容奠定了基础

2.0 前言

在前面一小节我们讲解了时序逻辑电路，它的核心就是数字化和离散化了时间，让先后顺序更加量化和明确。这一小节，我们将从硬件实现 的角度出发，实现 $s t a t e [t] = f u n c t i o n (s t a t e [t - 1])$ 的时序逻辑。

2.1 状态的记忆：Remembering State

首先，实现时序逻辑的关键就是记忆状态: 记住时刻的信息直到t时刻使用。Missing ingredient:remember one bit of information from time t-1 so it can be used at timet
那么我们知道，这个记忆状态的元件肯定有两种状态:1 or 0; 并且根据t-1时刻的信号进行翻转flip从0和1之间进行转换

上述实现这种在单位时间内进行信号状态记忆的元素称为 触发器（Clocked Data Flip Flop).

2.2 Clocked Data Flip Flop：D触发器

💜介绍：

如下图，D触发器有一个输入in和一个输出out；作用是记录上一个单位时间的输入，然后在下一个单位时间输出: $o u t [t] = in [t - 1]$ 。

注意：图中的正三角形🔺是【时钟脉冲沿】的意思，表示这个器件是时序逻辑下的芯片，与时钟有关；触发器输出的状态由该脉冲沿的状态来决定，三角符号下边有圆圈的表示时钟脉冲下降沿触发有效，无圆圈的则表示时钟脉冲上升沿触发有效。即，理解如下： 下一个周期的输出信号由上一个周期末尾结束的上升沿采样值确定。

🥗D触发器的实现：

在这门课中，我们不会去关系它的内部地层实现，而是默认它是有记忆功能的原始器件即可。In this course:it is a primitive
In many physical implementations,it may be built from actual Nand gates:
Step 1:create a"loop”achieving an“un-clocked”flip-flip
Step 2:Isolation across time steps using a "master-slave"setup
Our Hardware Simulator forbids “combinatorial loops”
- A cycle in the hardware connections is allowed only if it passesthrough a sequential gate

2.5 时序逻辑的实现

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上图展示了我们将在计算机中构建的所有逻辑的架构：A combination of remembering information via this basic D Flip-Flops, and the manipulating them using combinational logics.

我们可以看到，在上述架构中可以看到，该芯片的输出状态不仅取决于当前时刻的输入，还取决于上一时刻的输出： $s t a t e [t] = f (in p u t, s t a t e [t - 1])$ 。

2.4 一位寄存器

💜目标（Goal）：“永远”记住输入的1bit信息，直到被要求记住一个新的输入（remember an input bit “forever”:until requested to load a new value.）

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🌺实现（Implementation）：

寄存器和触发器的逻辑并不完全相同：

触发器永远保存上一个单位时间的输入；如果上一个单位时间的输入改变，则该单位时间的输出也随之改变；
寄存器：只有在load = 1时，才会不断加载上一个单位时间的输入，直至load = 0则会永远保存load = 0之前那个单位时间的输入。即： $\begin{aligned}&\text{if load(t-1) then out(t)=in(t-1)}\\&\text{else out(t)=out(t-1)}\end{aligned}$

要想实现上述1bit寄存器的功能，只需在DFF之前加上一个选择器即可，根据load进行选择如何输出：
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3、内存单元：RAM

3.0 前言

如下图，当我们讲到存储器Memory时，它是冯诺依曼体系结构的五大组成部分之一。

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同时存储器有按照在计算机中的作用or层次可以分为以下两种：

Main memory（主存储器or内存储器）: 随机存储器（RAM）…
主存储器是存储在计算机内部的并连接到主板上的，CPU可以直接访问。作用是用来存储计算机运行器件所需要的数据和指令（指令本身就是程序的组成部分）。
Secondary memory（辅助存储器）:磁盘disks,…

按照信息的可保存性分类为：

Volatile（易失性存储器）
eg: RAM
non-volatile（非易失性存储器）
eg: ROM

在本门课课程中我们只关心打✔的以下几项：
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3.1 RAM的基础存储元素：寄存器

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在2.4，我们学习了一位寄存器，我们不难想到可以将其扩展为多位寄存器；其中w表示位宽，可以为：16-bit, 32-bit...。

16-bit的寄存器逻辑和输入输出接口如下：

/*** 16-bit register:* If load is asserted, the register's value is set to in;* Otherwise, the register maintains its current value:* if (load(t)) out(t+1) = int(t), else out(t+1) = out(t)*/
CHIP Register {IN in[16], load;OUT out[16];PARTS: Replace this comment with your code.
}

3.2 RAM unit

RAM的体系架构如下：

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RAM的抽象概念：(RAM abstraction）：是一系列（n个）可寻址的寄存器组成，地址为 0~1（A sequence ofn addressable registers,with addresses 0 to n-1）
在任意给定时间单位内: 只有一个寄存器可以被选中。（At any given point of time,only oneregister in the RAM is selected）
k（输入地址的位宽）: $\mathrm{k=log_2n}$
w（输入数据的位宽）在本门课所构建的Hack计算机中，w = 16

RAM的逻辑如下：

//Let M stand for the state of
//the selected register
if load then {M = in//from the next cycle onward:out = M
}
else out = M

RAM的读取逻辑：
RAM的写入逻辑：

3.3 16输入位宽的RAM系列

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如上图可以看到RAM n的n表示这个内存有n个寄存器，且每个寄存器的输入位宽这里默认是16。

到这里我们也知道RAM的含义： Ramdom Access Memory，因为我们只用确定好要访问的寄存器地址，就能在同等的时间内快速选取到该寄存器对其进行处理。

4、程序计数器PC: Program Counter

4.0 前言

CPU是由ALU+控制器组成：
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其中控制器是整个系统的 指挥中枢，基本功能就是执行指令。

其中程序计数器PC是控制器的组成部分。用于指出将要执行的指令在主程序中存放的地址，CPU再根据地址去取出指令；由于指令在内存中通常都是顺序存放，它有自增的功能。

🐣eg: 比如我写了一个程序给机器人如何做蛋糕，这个程序由49条指令组成，顺序存放。那么机器人做蛋糕就从第1条指令出发，顺次往下自增得到指令并执行即可；同时，可以随意从一个指令跳到另一个指令（比如完成了一个蛋糕后，再重新做一个蛋糕时不必从指令1开始，或许可以从指令17开始，因为前面的准备工作都已完成。

4.1 PC的作用

首先，计算机必须要跟踪当前指令的执行以及即将执行的指令（The computer must keep track of which instruction should be fetched and executed next）
上述这种控制可以被PC，即程序计数器实现。
程序计数器包含下一个将要被取得和执行的指令地址（The PC contains the address of the instruction that will befetched and executed next）

同时，PC必须包含以下三个基本设置：

Reset: fetch the first instruction （PC = 0)
Next: fetch the next instruction （PC++)
Goto: fetch instruction n （PC = n)

4.2 深入PC

PC的结构如下：
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PC的逻辑如下：

/*** A 16-bit counter.* if      reset(t): out(t+1) = 0* else if load(t):  out(t+1) = in(t)* else if inc(t):   out(t+1) = out(t) + 1* else              out(t+1) = out(t)*/
CHIP PC {IN in[16], reset, load, inc;OUT out[16];PARTS: Replace this comment with your code.
}

5、Project 3

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5.1 一位存储器

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🐣分析：1 bit寄存器的结构如下，由一个数据选择器mux和一个DFF组成：

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🪴HDL代码：

/*** 1-bit register:* If load is asserted, the register's value is set to in;* Otherwise, the register maintains its current value:* if (load(t)) out(t+1) = in(t), else out(t+1) = out(t)*/
CHIP Bit {IN in, load;OUT out;PARTS: Replace this comment with your code.Mux(a= outDFF, b= in, sel= load, out= o1);DFF(in= o1,  out = outDFF,out = out);
}

Tips：注意到DFF的out有两个赋值，这是正确的，因为其输出确实连接了两个引脚，HDL本身也就是描述硬件的连接的。

5.2 16位寄存器

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🐣分析：16bit的寄存器本身就是将16个1bit的寄存器并接即可，load都由一位控制即可。

🪴HDL代码：

/*** 16-bit register:* If load is asserted, the register's value is set to in;* Otherwise, the register maintains its current value:* if (load(t)) out(t+1) = int(t), else out(t+1) = out(t)*/
CHIP Register {IN in[16], load;OUT out[16];PARTS: Replace this comment with your code.// Put your code here:Bit(in= in[0],load=load ,out=out[0] );Bit(in= in[1],load=load ,out=out[1] );Bit(in= in[2],load=load ,out=out[2] );Bit(in= in[3],load=load ,out=out[3] );Bit(in= in[4],load=load ,out=out[4] );Bit(in= in[5],load=load ,out=out[5] );Bit(in= in[6],load=load ,out=out[6] );Bit(in= in[7],load=load ,out=out[7] );Bit(in= in[8],load=load ,out=out[8] );Bit(in= in[9],load=load ,out=out[9] );Bit(in= in[10],load=load ,out=out[10] );Bit(in= in[11],load=load ,out=out[11] );Bit(in= in[12],load=load ,out=out[12] );Bit(in= in[13],load=load ,out=out[13] );Bit(in= in[14],load=load ,out=out[14] );Bit(in= in[15],load=load ,out=out[15] );
}

5.3 RAM8

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🐣分析：
- 让输入in[16]与所有的寄存器连接
- 反向选择器连接load，用address来选择判断让哪个寄存器来进行加载数据
- 数据输出部分很简单，利用多路选择器并用address来判断读取哪个寄存器的数据

🪴HDL代码：

/*** Memory of eight 16-bit registers.* If load is asserted, the value of the register selected by* address is set to in; Otherwise, the value does not change.* The value of the selected register is emitted by out.*/
CHIP RAM8 {IN in[16], load, address[3];OUT out[16];PARTS: Replace this comment with your code.进行数据读取的判断，选择哪个寄存器来加载数据DMux8Way(in= load, sel= address, a= load0, b= load1, c= load2, d= load3, e= load4, f= load5, g= load6, h= load7);将输入与每个寄存器相连Register(in= in, load= load0, out= o0);Register(in= in, load= load1, out= o1);Register(in= in, load= load2, out= o2);Register(in= in, load= load3, out= o3);Register(in= in, load= load4, out= o4);Register(in= in, load= load5, out= o5);Register(in= in, load= load6, out= o6);Register(in= in, load= load7, out= o7);使用多路选择器来判断将哪个寄存器的结果输出Mux8Way16(a= o0, b= o1, c= o2, d= o3, e= o4, f= o5, g= o6, h= o7, sel= address, out= out);
}

5.4 …->RAM16

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现在我们要完成RAM64~RAM512，但这也是基于之前的RAM8、RAM64…逐渐抽象的过程：

1 RAM64

🐣分析：RAM64的本质是8个RAM8
其中address[3~5]负责选择哪一个RAM进行输入和输出。，address[0~2]负责选择这个RAM里面的哪个寄存器

🪴HDL代码：

/*** Memory of sixty four 16-bit registers.* If load is asserted, the value of the register selected by* address is set to in; Otherwise, the value does not change.* The value of the selected register is emitted by out.*/
CHIP RAM64 {IN in[16], load, address[6];OUT out[16];PARTS: Replace this comment with your code.DMux8Way(in= load, sel= address[3..5], a= load0, b= load1, c= load2, d= load3, e= load4, f= load5, g= load6, h= load7);RAM8(in= in, load= load0, address= address[0..2], out= o0);RAM8(in= in, load= load1, address= address[0..2], out= o1);RAM8(in= in, load= load2, address= address[0..2], out= o2);RAM8(in= in, load= load3, address= address[0..2], out= o3);RAM8(in= in, load= load4, address= address[0..2], out= o4);RAM8(in= in, load= load5, address= address[0..2], out= o5);RAM8(in= in, load= load6, address= address[0..2], out= o6);RAM8(in= in, load= load7, address= address[0..2], out= o7);Mux8Way16(a= o0, b= o1, c= o2, d= o3, e= o4, f= o5, g= o6, h= o7, sel= address[3..5], out= out);
}

2 RAM512

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这个和RAM64的思路完全一样：

/*** Memory of 512 16-bit registers.* If load is asserted, the value of the register selected by* address is set to in; Otherwise, the value does not change.* The value of the selected register is emitted by out.*/
CHIP RAM512 {IN in[16], load, address[9];OUT out[16];PARTS: Replace this comment with your code.DMux8Way(in= load, sel= address[6..8], a= load0, b= load1, c= load2, d= load3, e= load4, f= load5, g= load6, h= load7);RAM64(in= in, load= load0, address= address[0..5], out= o0);RAM64(in= in, load= load1, address= address[0..5], out= o1);RAM64(in= in, load= load2, address= address[0..5], out= o2);RAM64(in= in, load= load3, address= address[0..5], out= o3);RAM64(in= in, load= load4, address= address[0..5], out= o4);RAM64(in= in, load= load5, address= address[0..5], out= o5);RAM64(in= in, load= load6, address= address[0..5], out= o6);RAM64(in= in, load= load7, address= address[0..5], out= o7);Mux8Way16(a= o0, b= o1, c= o2, d= o3, e= o4, f= o5, g= o6, h= o7, sel= address[6..8], out= out);
}

3 RAM4k

/*** Memory of 4K 16-bit registers.* If load is asserted, the value of the register selected by* address is set to in; Otherwise, the value does not change.* The value of the selected register is emitted by out.*/
CHIP RAM4K {IN in[16], load, address[12];OUT out[16];PARTS: Replace this comment with your code.// Put your code here:DMux8Way(in=load ,sel=address[9..11] ,a=load0 ,b=load1 ,c=load2 ,d=load3 ,e=load4 ,f=load5 ,g=load6 ,h=load7 );RAM512(in=in ,load=load0 ,address=address[0..8] ,out=out0 );RAM512(in=in ,load=load1 ,address=address[0..8] ,out=out1 );RAM512(in=in ,load=load2 ,address=address[0..8] ,out=out2 );RAM512(in=in ,load=load3 ,address=address[0..8] ,out=out3 );RAM512(in=in ,load=load4 ,address=address[0..8] ,out=out4 );RAM512(in=in ,load=load5 ,address=address[0..8] ,out=out5 );RAM512(in=in ,load=load6 ,address=address[0..8] ,out=out6 );RAM512(in=in ,load=load7 ,address=address[0..8] ,out=out7 );Mux8Way16(a=out0 ,b=out1 ,c=out2 ,d=out3 ,e=out4 ,f=out5 ,g=out6 ,h=out7 ,sel=address[9..11] ,out=out );
}

4 RAM16k

/*** Memory of 16K 16-bit registers.* If load is asserted, the value of the register selected by* address is set to in; Otherwise, the value does not change.* The value of the selected register is emitted by out.*/
CHIP RAM16K {IN in[16], load, address[14];OUT out[16];PARTS:// Put your code here:DMux4Way(in=load ,sel=address[12..13] ,a=load0 ,b=load1 ,c=load2 ,d=load3);RAM4K(in=in ,load=load0 ,address=address[0..11] ,out=out0 );RAM4K(in=in ,load=load1 ,address=address[0..11] ,out=out1 );RAM4K(in=in ,load=load2 ,address=address[0..11] ,out=out2 );RAM4K(in=in ,load=load3 ,address=address[0..11] ,out=out3 );Mux4Way16(a=out0 ,b=out1 ,c=out2 ,d=out3 ,sel=address[12..13] ,out=out );
}

5.5 PC

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🐣分析：
- 首先，这是一个时序电路，那么它的结构肯定是复合2.5 时序逻辑的实现那样，如下图：
- 由上图我们可以确定，组合逻辑在左边，而时序逻辑（寄存器）在右半部分。
- 那么难点其实是组合逻辑的书写
这里直接看最终代码：

/*** A 16-bit counter with load and reset control bits.* if      (reset[t] == 1) out[t+1] = 0* else if (load[t] == 1)  out[t+1] = in[t]* else if (inc[t] == 1)   out[t+1] = out[t] + 1  (integer addition)* else                    out[t+1] = out[t]*/CHIP PC {IN in[16],load,inc,reset;OUT out[16];PARTS:// Put your code here:Inc16(in=state,out=inc16);Mux16(a=state ,b=inc16 ,sel=inc ,out=tmp1 );Mux16(a=tmp1 ,b=in ,sel=load ,out=tmp2 );Mux16(a=tmp2 ,b=false ,sel=reset ,out=newstate );Register(in=newstate ,load=true ,out=out,out=state );
}