最近讀到這樣一篇文章，從底層硬件角度出發(fā)剖析了一下CPU對(duì)代碼的識(shí)別和讀取，內(nèi)容之精彩，讀完感覺學(xué)到的很多東西瞬間聯(lián)系起來了，分享給猿們。

首先要開始這個(gè)話題要先說一下半導(dǎo)體。啥叫半導(dǎo)體?半導(dǎo)體其實(shí)就是介于導(dǎo)體和絕緣體中間的一種東西，比如2二極管。

電流可以從A端流向C端，但反過來則不行。你可以把它理解成一種防止電流逆流的東西。

當(dāng)C端10V，A端0V，二極管可以視為斷開。

當(dāng)C端0V，A端10V，二極管可以視為導(dǎo)線，結(jié)果就是A端的電流源源不斷的流向C端，導(dǎo)致最后的結(jié)果就是A端=C端=10V

等等，不是說好的C端0V，A端10V么?咋就變成結(jié)果是A端=C端=10V了?

你可以把這個(gè)理解成初始狀態(tài)，當(dāng)最后穩(wěn)定下來之后就會(huì)變成A端=C端=10V。

如果你不能理解的話就記住這種情況下它相當(dāng)于導(dǎo)線就行了。利用半導(dǎo)體，我們可以制作一些有趣的電路，比如【與門】。

此時(shí)A端B端只要有一個(gè)是0V，那Y端就會(huì)和0V地方直接導(dǎo)通，導(dǎo)致Y端也變成0V。只有AB兩端都是10V，Y和AB之間才沒有電流流動(dòng)，Y端也才是10V。

我們把這個(gè)裝置成為【與門】，把有電壓的地方計(jì)為1，0電壓的地方計(jì)為0。至于具體幾V電壓，那不重要。也就是AB必須同時(shí)輸入1，輸出端Y才是1;AB有一個(gè)是0，輸出端Y就是0。其他還有【或門】【非門】和【異或門】，跟這個(gè)都差不多，或門就是輸入有一個(gè)是1輸出就是1，輸入00則輸入0。

非門也好理解，就是輸入1輸出0，輸入0輸出1。異或門難理解一些，輸入01或者10則輸出1，輸入00或者11則輸出0。(即輸入兩個(gè)一樣的值則輸出0，輸入兩個(gè)不一樣的值則輸出1)。

這幾種門都可以用二極管做出來，具體怎么做就不演示了，有興趣的童鞋可以自己試試。我們把門電路簡(jiǎn)化成下面幾個(gè)符號(hào)。

然后我們就可以用門電路來做CPU了。當(dāng)然做CPU還是挺難的，我們先從簡(jiǎn)單的開始：加法器。

加法器顧名思義，就是一種用來算加法的電路，最簡(jiǎn)單的就是下面這種。

AB只能輸入0或者1，也就是這個(gè)加法器能算0+0，1+0或者1+1。輸出端S是結(jié)果，而C則代表是不是發(fā)生進(jìn)位了，二進(jìn)制1+1=10嘛。這個(gè)時(shí)候C=1，S=0費(fèi)了大半天的力氣，算個(gè)1+1是不是特別有成就感?那再進(jìn)一步算個(gè)1+2吧(二進(jìn)制01+10)，然后我們就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的問題：第二位需要處理第一位有可能進(jìn)位的問題，所以我們還得設(shè)計(jì)一個(gè)全加法器。

我們簡(jiǎn)化一下!

也就是有3個(gè)輸入2個(gè)輸出，分別輸入要相加的兩個(gè)數(shù)和上一位的進(jìn)位，然后輸入結(jié)果和是否進(jìn)位。然后我們把這個(gè)全加法器串起來。

我們就有了一個(gè)4位加法器，可以計(jì)算4位數(shù)的加法也就是15+15。

做完加法器我們?cè)僮鰝€(gè)乘法器吧，當(dāng)然乘任意10進(jìn)制數(shù)是有點(diǎn)麻煩的，我們先做個(gè)乘2的吧。乘2就很簡(jiǎn)單了，對(duì)于一個(gè)2進(jìn)制數(shù)數(shù)我們?cè)诤竺婕觽€(gè)0就算是乘2了比如：

5=101(2)10=1010(2)

所以我們只要把輸入都往前移動(dòng)一位，再在最低位上補(bǔ)個(gè)零就算是乘2了。那乘3呢?簡(jiǎn)單，先位移一次(乘2)再加一次。乘5呢?先位移兩次(乘4)再加一次。所以一般簡(jiǎn)單的CPU是沒有乘法的，而乘法則是通過位移和加算的組合來通過軟件來實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)在假設(shè)你有8位加法器了，也有一個(gè)位移1位的模塊了。串起來你就能算了!

(A+B)X2

激動(dòng)人心，已經(jīng)差不多到了準(zhǔn)小學(xué)生水平。那我要是想算呢?

AX2+B

簡(jiǎn)單，你把加法器模塊和位移模塊的接線改一下就行了，改成輸入A先過位移模塊，再進(jìn)加法器就可以了。

早期的計(jì)算機(jī)就是這樣編程的，幾分鐘就算完了但插線好幾天。而且插線是個(gè)細(xì)致且需要耐心的工作，所以我們需要改進(jìn)一下，讓CPU可以根據(jù)指令來相加或者乘2。

這里再引入兩個(gè)模塊，一個(gè)叫flip-flop，簡(jiǎn)稱FF，中文叫觸發(fā)器。

這個(gè)模塊的作用是存儲(chǔ)1bit數(shù)據(jù)。比如上面這個(gè)RS型的FF，R是Reset，輸入1則清零。S是Set，輸入1則保存1。RS都輸入0的時(shí)候，會(huì)一直輸出剛才保存的內(nèi)容。

我們用FF來保存計(jì)算的中間數(shù)據(jù)(也可以是中間狀態(tài)或者別的什么)，1bit肯定是不夠的，不過我們可以并聯(lián)嘛，用4個(gè)或者8個(gè)來保存4位或者8位數(shù)據(jù)。這種我們稱之為寄存器(Register)。另外一個(gè)叫MUX，中文叫選擇器。

這個(gè)就簡(jiǎn)單了，sel輸入0則輸出i0的數(shù)據(jù)，i0是什么就輸出什么，01皆可。同理sel如果輸入1則輸出i1的數(shù)據(jù)。當(dāng)然選擇器可以做的很長(zhǎng)，比如這種四進(jìn)一出的。

有這個(gè)東西我們就可以給加法器和乘2模塊(位移)設(shè)計(jì)一個(gè)激活針腳。這個(gè)激活針腳輸入1則激活這個(gè)模塊，輸入0則不激活。這樣我們就可以控制數(shù)據(jù)是流入加法器還是位移模塊了。于是我們給CPU先設(shè)計(jì)8個(gè)輸入針腳，4位指令，4位數(shù)據(jù)。我們?cè)僭O(shè)計(jì)3個(gè)指令：

0100，數(shù)據(jù)讀入寄存器0001，數(shù)據(jù)與寄存器相加，結(jié)果保存到寄存器0010，寄存器數(shù)據(jù)向左位移一位(乘2)

為什么這么設(shè)計(jì)呢，我們可以為每個(gè)模塊設(shè)計(jì)一個(gè)激活針腳。然后我們可以分別用指令輸入的第二第三第四個(gè)針腳連接寄存器，加法器和位移器的激活針腳。

這樣我們輸入0100這個(gè)指令的時(shí)候，寄存器輸入被激活，其他模塊都是0沒有激活，數(shù)據(jù)就存入寄存器了。同理，如果我們輸入0001這個(gè)指令，則加法器開始工作，我們就可以執(zhí)行相加這個(gè)操作了。這里就可以簡(jiǎn)單回答這個(gè)問題的第一個(gè)小問題了：

那cpu 是為什么能看懂這些二級(jí)制的數(shù)呢?

為什么CPU能看懂，因?yàn)镃PU里面的線就是這么接的。你輸入一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，就像開關(guān)一樣激活CPU里面若干個(gè)指定的模塊以及改變這些模塊的連同方式，最終得出結(jié)果。

審核編輯：湯梓紅