CPU的工作原理1——為什么芯片只能識(shí)別二進(jìn)制

我們可能都聽說過這樣的話：“CPU是計(jì)算機(jī)的大腦，所有運(yùn)算都在這里完成”，“CPU是由數(shù)十億個(gè)晶體管組成的”，“CPU只能識(shí)別二進(jìn)制，類似于1001101100這樣的數(shù)據(jù)”，“所有的編程語言最終都會(huì)被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制進(jìn)行處理，因?yàn)镃PU只識(shí)別二進(jìn)制”……。時(shí)間久了，我們會(huì)把這些話當(dāng)做約定俗成的公理來看待，很少思考這是為什么。

我有著20年編程經(jīng)驗(yàn)，雖然日常工作中使用編程解決各類問題在我看來都是信手拈來，但有幾個(gè)問題一直困擾我，CPU為什么能識(shí)別二進(jìn)制？它的工作原理是什么？數(shù)十億個(gè)晶體管起到什么作用？這些問題不明白雖然不會(huì)影響我的生活、工作，但會(huì)讓我無法全面認(rèn)知計(jì)算機(jī)運(yùn)行的原理，總感覺缺少點(diǎn)什么，接下來我就帶著大家一起看看CPU是如何工作的。

先來看CPU的構(gòu)成，其實(shí)不只是CPU，也包括GPU、NPU……等等所有的芯片都是一樣的，他們都是由很多個(gè)“開關(guān)”組成的，對(duì)，就是開關(guān)，你沒看錯(cuò)！

來源|1688.com

就好像家里的水龍頭，打開，水流出來，關(guān)上，水沒了。當(dāng)然芯片里不是真的有水龍頭，只是個(gè)比喻。早期的計(jì)算機(jī)使用的是繼電器開關(guān)，在一些工業(yè)電氣設(shè)備中還能看到這種器件。

來源|1688.com

典型的外觀就是一大卷銅線，旁邊有幾個(gè)彈簧片，彈簧片上有金屬觸點(diǎn)，當(dāng)銅線圈通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場，吸引彈簧片產(chǎn)生位移，從而使金屬觸點(diǎn)連接或斷開，本質(zhì)上說就是一個(gè)開關(guān)，只不過它控制的是電流，而不是水流。

后來人們發(fā)現(xiàn)這種繼電器開關(guān)故障率太高，哪怕是一只蟲子爬進(jìn)去，也可能造成開關(guān)短路，軟件編程中的“bug”一詞就來源于此。所以人們又研究出了電子管開關(guān)，這種開關(guān)摒棄了機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，故障率大大降低。

來源|zhe2.com

現(xiàn)在逛一些舊家電市場，可能還會(huì)看到使用老式電子管的收音機(jī)。但電子管由于體積大，功耗高，后來基本被晶體管替代了，除了一些專業(yè)領(lǐng)域，比如音響功放，因?yàn)殡娮庸苤瞥傻墓β史糯笃骺梢员ＷC高品質(zhì)的原聲，所以音響發(fā)燒友，都會(huì)以擁有一臺(tái)優(yōu)質(zhì)的電子管功率放大器為榮。

最后我們看看晶體管，它也是一個(gè)電流開關(guān)，相較于電子管，它可以做得非常小，功耗非常低，所以現(xiàn)在的芯片都是基于晶體管開關(guān)的。

來源|電子通

當(dāng)然這張圖片是普通的晶體管，并不是芯片中微型晶體管的樣子，晶體管可以比較大，在一些家用電器的電路板上經(jīng)常能看到這樣的東西，外觀樣式很豐富。同時(shí)也可以做的非常小，在一個(gè)指甲蓋大小的區(qū)域里能集成上百億個(gè)晶體管。

我們說過晶體管就是一個(gè)開關(guān)，類似于水龍頭，水龍頭控制的是水流，之所以打開開關(guān)，有水流出，是因?yàn)橛兴畨旱拇嬖凇?/p>

同樣晶體管開關(guān)控制的是電流，之所以打開開關(guān)，有電流通過，是因?yàn)橛须妷旱拇嬖凇Ｎ覀冇眠@個(gè)符號(hào)來表示一個(gè)晶體管開關(guān)。

上面是控制端，相當(dāng)于水龍頭的開關(guān)，當(dāng)控制端施加一個(gè)高電位（可以簡單理解為有電），輸入端和輸出端之間的通道打開，電流由輸入端流向輸出端。如果控制端是低電位（相當(dāng)于沒電），通道關(guān)閉，輸出端沒有電流流出。為了描述方便，我們使用0代表沒電，1代表有電，一個(gè)晶體管開關(guān)會(huì)形成下面二種狀態(tài)：

也就是控制端有電（1），輸出端就有電（1），控制端沒電（0），輸出端沒電（0）。所以一個(gè)晶體管開關(guān)只能有二種狀態(tài)，要么是1要么是0，而1和0就是二進(jìn)制，這也就是CPU只能識(shí)別二進(jìn)制的道理。

本節(jié)我們介紹了芯片為什么只能識(shí)別二進(jìn)制，下節(jié)開始我們會(huì)介紹由多個(gè)晶體管開關(guān)組合形成的基本門電路，若干門電路組合又能形成更復(fù)雜的存儲(chǔ)電路、運(yùn)算電路，然后是半加器、全加器……直到形成整個(gè)CPU！

CPU的工作原理2——基本門電路

上節(jié)我們介紹了CPU的基本單元是晶體管開關(guān)，接下來我們就看看這一堆開關(guān)組合在一起能做什么？首先我們需要用晶體管開關(guān)制作幾種最基本的建筑材料——門電路。

這有一個(gè)晶體管開關(guān)，我們?cè)谳斎攵颂砑右粋€(gè)通道（細(xì)線），這條線比其他線更細(xì)，留意這點(diǎn)。

然后我們?nèi)藶橐?guī)定控制端為輸入端，新加的細(xì)線為輸出端。

請(qǐng)注意，雖然晶體管本身有固定的輸出、輸出、控制端，但作為使用者我們完全可以根據(jù)需要調(diào)整輸入端、輸出端的定義，只要輸入端的變化能引發(fā)輸出端變化即可。

接下來我們分析輸入和輸出端之間的關(guān)系，當(dāng)輸入端是0（0代表沒電，1代表有電），主通道關(guān)閉，從左邊過來的電流無法到達(dá)右邊，但可以經(jīng)這條細(xì)線流出，所以輸出是1。即輸入是0，輸出是1。

接下來輸入是1的話，主通道打開，電流從左邊流到右邊，因?yàn)橹魍ǖ劳?，輸出端（?xì)線）就沒有電流了。

我們可以做個(gè)類比，某天早晨打開水龍頭，發(fā)現(xiàn)沒水，一看新聞，原來市政主管道被挖斷了，路面上都能游泳了，所以家里就沒水了，這是同樣的道理，因?yàn)樗紡闹鞴艿懒髯吡?，家里的小管道自然就沒水了。所以輸入是1，輸出是0。

我們用一個(gè)表格記錄輸入、輸出之間的關(guān)系，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們之間存在相反的關(guān)系，所以這個(gè)簡單的電路稱為非門電路，非就是相反的意思，門是一個(gè)形象的解釋，就好像一個(gè)開關(guān)，門打開，人能進(jìn)出，門關(guān)上，誰也不能進(jìn)出。這個(gè)非門電路以后我們經(jīng)常用到，為了簡單起見，我用一個(gè)符號(hào)代表這個(gè)電路。其中的NOT就是非的意思。

然后我們看第二個(gè)門電路，這有二個(gè)晶體管開關(guān)，把他們首尾相連，然后將兩個(gè)晶體管的控制端當(dāng)做輸入，分別叫輸入A、輸入B，最后一個(gè)晶體管的輸出端當(dāng)做輸出。

然后分析下輸入和輸出的關(guān)系，當(dāng)輸入A=0，輸入B=1時(shí)，第一個(gè)開關(guān)主管道關(guān)閉，第二個(gè)開關(guān)主管道打開，電流無法從左邊流到右邊，輸出=0；當(dāng)輸入A=1，輸入B=0時(shí)，也是類似，輸出=0；當(dāng)輸入A=0，輸入B=0時(shí)，輸出當(dāng)然=0；而當(dāng)輸入A=1，輸入B=1時(shí)，二個(gè)開關(guān)都打開，輸出=1。

用表格整理一下，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律，只有當(dāng)A、B都是1的時(shí)候輸出才是1，可以用一句話描述“當(dāng)輸入A=1并且輸入B=1時(shí)，輸出才=1”，其他的情況輸出都是0。這個(gè)電路稱為與門電路，與就是并且的意思。這個(gè)門電路以后會(huì)經(jīng)常用到，也用一個(gè)符號(hào)代表，其中AND就是與的意思。

接下來再用二個(gè)晶體管彼此相連，但不是串聯(lián)，而是并聯(lián)，也就是兩個(gè)輸入端連在一起，兩個(gè)輸出端連在一起。

注意，圖中那個(gè)圓弧代表二條線不是相連，因?yàn)樵谄矫嫔蠠o法畫出立體圖，大家可以想象一下，二條線一個(gè)在上一個(gè)在下，沒有任何接觸。現(xiàn)在我們將兩個(gè)晶體管的控制端分別當(dāng)做輸入A、輸入B，輸出端不變，接下來分析輸入輸出之間的關(guān)系。

當(dāng)輸入A=0，輸入B=1時(shí)，下面這個(gè)晶體管打開，電流可以走下面通道從輸出端流出，輸出=1；當(dāng)輸入A=1，輸入B=0時(shí)，上面這個(gè)晶體管打開，電流可以走上面通道從輸出端流出，輸出=1；當(dāng)輸入A=0，輸入B=0時(shí)，二個(gè)晶體管都關(guān)閉，輸出=0；當(dāng)輸入A=1，輸入B=1時(shí)，兩個(gè)通道都打開，輸出=1。

使用表格總結(jié)一下，會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)規(guī)律：“只要輸入A或者輸入B有一個(gè)為1，輸出就=1”，這個(gè)門電路稱為或門電路，為了方便描述，使用這個(gè)符號(hào)代替或門電路，其中or就是或者的意思。

有了上面三種最基本的門電路，我們就可以組合出更復(fù)雜的門電路（姑且稱為二階門電路，與基本門電路區(qū)分），種類很多，比如與非門、或非門、異或門等等，我們舉其中一個(gè)例子——異或門。電路是這樣的，由二個(gè)與門、一個(gè)非門、一個(gè)或門組成。

電路分析用下面四張圖來表示，大家可以自己推理一下，看結(jié)果是否正確。

最后用表格統(tǒng)計(jì)出來：

它的規(guī)律是：當(dāng)輸入A和輸入B不同時(shí)，輸出=1。我們用這個(gè)符號(hào)來描述異或門。

其他二階門電路我們不一一介紹了，有興趣的讀者可以自己查閱資料，下節(jié)我們來看看由這些門電路如何制作加法器，實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算。

CPU的工作原理3——如何加減乘除

我們知道CPU的主要功能就是運(yùn)算，加減乘除運(yùn)算的基礎(chǔ)是加法運(yùn)算，所以我們先來看如何制作一個(gè)加法器。

我們所說的加法器當(dāng)然是指二進(jìn)制的加法，請(qǐng)看下圖：

左邊表格是二個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)相加的情況分析（二進(jìn)制沒有2，只能通過進(jìn)位用10描述）。目標(biāo)有了，怎么實(shí)現(xiàn)呢？之前介紹過的異或門的邏輯與此很像（右邊的表格），我們看到前三種情況的加法，異或門可以直接實(shí)現(xiàn)，而最后一種情況1+1的結(jié)果是0而不是10，這里面其實(shí)缺少了一個(gè)進(jìn)位，我們可以增加一個(gè)與門，解決進(jìn)位的問題。

電路圖是這樣的，其中異或門的輸出作為“和的個(gè)位數(shù)”，與門的輸出作為進(jìn)位。最終實(shí)現(xiàn)的結(jié)果如下表：

可能有人會(huì)想，1+1=10沒問題，但0+0=00,0+1=01很是奇怪，能否把前面的0去掉呢？其實(shí)我們不用擔(dān)心，這只是與我們的日常思維習(xí)慣有些沖突，并不影響結(jié)果的正確性，畢竟在一個(gè)數(shù)字前面加0和不加0的結(jié)果都一樣。

這樣我們就實(shí)現(xiàn)了一位二進(jìn)制數(shù)的加法電路，使用這個(gè)符號(hào)表示。

為什么叫“半加器”呢？因?yàn)檫€不完善，因?yàn)橐粋€(gè)完整的加法必然要考慮多位數(shù)相加，剛剛分析的只是一位數(shù)相加，如果有多位數(shù)，必然要考慮前一位數(shù)字相加后可能有進(jìn)位，這個(gè)進(jìn)位也要加進(jìn)來，所以還可以對(duì)這個(gè)電路繼續(xù)完善，直至滿足多位數(shù)相加，這個(gè)完善的加法電路就稱為全加器，用這個(gè)符號(hào)表示。

有了半加器、全加器，就可以實(shí)現(xiàn)多位二進(jìn)制相加了，例如二個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)相加的電路如下：

可簡化為：

減法器的過程稍顯復(fù)雜，因?yàn)闇p法不考慮進(jìn)位，但需要考慮借位，而借的這一位如何記錄，如何歸還都是問題，所以我們要想辦法將借位化解掉。我們先從熟悉的十進(jìn)制減法入手，例如35-16，用借位法很容易得出結(jié)果19，但現(xiàn)在我們要避免借位，怎么做呢？我們可以把式子變換一下：

35-16=35-16+100-100=35-16+99+1-100=35+（99-16）+1-100

這樣99-16就不涉及到借位，因?yàn)閷?duì)于二位數(shù)來說99是最大的。我們繼續(xù)變換式子：

35+（99-16）+1-100=35+83+1-100=118+1-100=119-100

這時(shí)又遇到減法，但是不涉及借位，只需把百位的1去掉即可，結(jié)果是19。雖然看起來繞了很大一個(gè)彎路，但我們成功地避免了借位。

接下來我們來看二個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)相減的例子：

參考前面十進(jìn)制減法的例子，把這個(gè)式子轉(zhuǎn)換為：

這其中涉及到二次減法，其中：

觀察一下結(jié)果會(huì)發(fā)現(xiàn)，差和減數(shù)是按位取反的，也就是每位0、1正好相反，這個(gè)邏輯可以使用如下電路實(shí)現(xiàn)：

但問題是，該電路只會(huì)對(duì)輸入取反，而我們要做的是既能做加法也能做減法的電路，所以應(yīng)該在減法時(shí)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，改造電路如下：

當(dāng)做減法時(shí)，取反端=1，才對(duì)輸入取反，如果是加法，取反端=0，輸入不取反。我們將這個(gè)電路簡化一下，稱為求補(bǔ)器：

有了求補(bǔ)器，我們就可以將第一個(gè)減法變?yōu)榧由先》春蟮慕Y(jié)果：

這樣就只剩下最后一個(gè)減法，減去100000000，這個(gè)邏輯很簡單，只需將首位變?yōu)?即可，當(dāng)然是在做減法的時(shí)候。終于我們將所有的減法都化解掉了，現(xiàn)在我們使用加法器，再配合異或門就可以實(shí)現(xiàn)加減法運(yùn)算。

圖中有三個(gè)SUB端，這就是加減法的切換開關(guān)，當(dāng)SUB=0時(shí)，進(jìn)行加法運(yùn)算，當(dāng)SUB=1時(shí)，進(jìn)行減法運(yùn)算。在減法中，輸入B的數(shù)據(jù)會(huì)先通過求補(bǔ)器進(jìn)行取反，然后再和輸入A相加。另外通過加法器的CI（進(jìn)位輸入）可以實(shí)現(xiàn)結(jié)果+1（因?yàn)镾UB=1），最后加法器的CO進(jìn)位輸出（也就是結(jié)果的首位數(shù)據(jù)）通過一個(gè)異或門處理，減去1，最終得到最后的結(jié)果。

至此我們的電路已經(jīng)能做加減法了，而乘法就是多次加法，除法就是多次減法，所以我們也就能實(shí)現(xiàn)乘除的運(yùn)算了。

CPU的工作原理4——邏輯運(yùn)算及ALU

日常生活中有很多涉及到邏輯運(yùn)算的地方，例如“如果這個(gè)周末天氣好，我們也有空，就會(huì)去郊游”，這句話里就有邏輯運(yùn)算，“周末天氣是否好”、“我們是否有空”這是二個(gè)條件，只有當(dāng)二個(gè)條件都滿足時(shí)，“是否去郊游”這個(gè)結(jié)果才是肯定的，如果有一個(gè)條件不滿足，郊游就泡湯了。很明顯，這個(gè)邏輯與之前介紹的與門電路非常像，所以用門電路非常適合做邏輯運(yùn)算，換句話說CPU不僅能做算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算更是它的拿手好戲。例如“判斷一個(gè)數(shù)字是否是負(fù)數(shù)”、“判斷所有輸入是否為0”等等。

下面這個(gè)電路就可以判斷所有輸入A1-A8是否都是0，只有全部是0，最終輸出才是1，否則輸出就是0。

目前為止，我們將晶體管開關(guān)進(jìn)行巧妙的組合，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算了，按照慣例，我們將這樣一堆電路進(jìn)行封裝，簡化為一個(gè)符號(hào)，它被稱為算術(shù)邏輯單元（或運(yùn)算單元），簡稱ALU。

它具有二個(gè)8位二進(jìn)制作為輸入信號(hào)，同時(shí)還要告訴它做什么運(yùn)算（加、減……），所以我們用一個(gè)4位二進(jìn)制表示操作運(yùn)算符（例如1000代表加法，1100代表減法……），輸出結(jié)果也是8位二進(jìn)制。與此同時(shí)，ALU還要輸出一些標(biāo)記，這些標(biāo)記只有1位二進(jìn)制，代表某種狀態(tài)。例如如果輸出結(jié)果為0，是否為0標(biāo)志位就是1，如果輸出結(jié)果為負(fù)數(shù)，是否負(fù)數(shù)標(biāo)志位就是1，如果運(yùn)算出現(xiàn)溢出（進(jìn)位產(chǎn)生的），溢出標(biāo)志位就是1。

至此我們已經(jīng)創(chuàng)建了CPU的核心之一ALU，接下來我們還會(huì)了解計(jì)算機(jī)是如何存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的，最后我們會(huì)完整搭建一顆CPU！

CPU的工作原理5——如何存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

上一節(jié)我們創(chuàng)建了算術(shù)邏輯單元ALU，它可以進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算，但計(jì)算出來的結(jié)果如何保存呢？這就需要用到存儲(chǔ)單元，接下來我們看看用什么電路能夠保存數(shù)據(jù)。

由淺入深，我們先來存儲(chǔ)1位二進(jìn)制數(shù)。先看這個(gè)改造過的或門電路。

它的特殊之處在于其輸出信號(hào)會(huì)作為輸入信號(hào)之一，看起來很奇怪是吧。一開始A、B都為0，輸出=0，當(dāng)A=1時(shí)或門輸出=1，那么B=1，這時(shí)A、B都是1，輸出還是1，保持不變，接下來即使將A設(shè)為0，輸出依然是1。于是這個(gè)電路可以保存信號(hào)1。但我們也會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，即這個(gè)保存是永久性的，不論A的值是什么，輸出都是1，這顯然不符合實(shí)際需求，保存的數(shù)據(jù)應(yīng)該可以修改才對(duì)，這個(gè)問題暫時(shí)放一放，后面再解決。

接下來我們?cè)倏催@個(gè)改造過的與門電路，同樣它的輸出信號(hào)也作為輸入信號(hào)之一。

一開始將A、B都設(shè)為1，輸出=1，當(dāng)A設(shè)為0時(shí)，輸出=0，進(jìn)而B=0，輸出還是0，保持不變。接下來不論A如何變化，輸出始終保持為0，所以這個(gè)電路可以保存0。

然后我們開始著手解決如何修改保存內(nèi)容的問題，設(shè)計(jì)如下電路：

其中“輸入”端的信號(hào)就是這個(gè)電路要保存的值，“允許寫入”代表是否可以修改保存值，如果是0，代表不能修改，如果是1，代表可以修改，“輸出”端的信號(hào)就是保存的值。這個(gè)電路大家可以自行分析，我將四種不同的情況列在下面供大家參考。

允許寫入情況，輸入端信號(hào)1會(huì)保存起來

允許寫入情況，輸入端信號(hào)0會(huì)保存起來

禁止寫入情況，電路原本保存1，不論輸入端是什么都沒有影響

禁止寫入情況，電路原本保存0，不論輸入端是什么都沒有影響

我們用一個(gè)簡化的符號(hào)代替這個(gè)電路，這個(gè)電路可以保存1位二進(jìn)制數(shù)，并且可以隨意修改，我們把它叫做鎖存器。

當(dāng)我們將8個(gè)鎖存器放在一起，就可以保存8位二進(jìn)制數(shù)了，這樣一組鎖存器被稱為寄存器。早期電腦使用8位寄存器，即由8個(gè)鎖存器組成，能保存8位二進(jìn)制數(shù)，后來出現(xiàn)了16位寄存器、32位寄存器，到現(xiàn)在的電腦基本都是64位寄存器了。

接下來我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)能存儲(chǔ)256位二進(jìn)制數(shù)的電路，如下圖：

我們共需要16*16=256個(gè)鎖存器，將他們?cè)O(shè)計(jì)成16行16列的矩陣，為了能準(zhǔn)確存取數(shù)據(jù)，我們需要知道每個(gè)鎖存器的位置，所以需要一個(gè)額外的電路確定要操作的鎖存器的地址。如果要確定地址，必須知道行數(shù)、列數(shù)，一共16行、16列，所以行和列各用4位二進(jìn)制數(shù)表示就行（0000代表第1行，0001代表第2行……，1111代表第16行，列也是一樣的），這樣就需要8位的地址輸入信號(hào)。受篇幅所限，細(xì)節(jié)的電路不再畫了，最終我們有了一個(gè)能存取256位二進(jìn)制數(shù)的電路，用這個(gè)圖形表示。

“8位地址”用于定位鎖存器的位置，“允許寫入”=1時(shí)，“數(shù)據(jù)”被存入某個(gè)鎖存器，“允許讀取”=1時(shí)，某個(gè)鎖存器的數(shù)據(jù)可以被讀取出來。

一個(gè)這樣的電路還是沒什么卵用的，還需要繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模，我們將8個(gè)相同的電路如圖所示連接在一起。

這樣我們一次就可以讀寫8位二進(jìn)制數(shù)了，8位也叫做一個(gè)字節(jié)（Byte，簡稱B）。同樣，我們簡化一下，使用下圖表示。

這個(gè)電路有256個(gè)地址，每個(gè)地址可以讀寫一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)，一共可以保存256個(gè)字節(jié)（256B）的數(shù)據(jù)。這個(gè)容量的存儲(chǔ)空間能夠保存什么呢？很遺憾，現(xiàn)在的文檔、圖片動(dòng)輒以KB、MB為單位，似乎什么也干不了。

補(bǔ)充一下小知識(shí)，1GB=1024MB，1MB=1024KB，1KB=1024B。

至此我們使用多個(gè)鎖存器構(gòu)建出了可以存取數(shù)據(jù)的內(nèi)存，雖然只有256B，更大的內(nèi)存也是同樣的原理，下節(jié)我們就開始打造完整的CPU了！

CPU的工作原理6——組建CPU

前面我們介紹了所有的基礎(chǔ)零件，接下來就可以構(gòu)建CPU了，這節(jié)的內(nèi)容會(huì)比較多。

既然開始構(gòu)建CPU，就少不了程序，因?yàn)镃PU就是用來執(zhí)行程序的。我們知道任何編程語言編寫的程序最終都會(huì)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，所以這里我們直接使用二進(jìn)制的編程語言（機(jī)器語言）。比如我們讓CPU計(jì)算一個(gè)加法3+14，這個(gè)加法運(yùn)算用機(jī)器語言來描述的話就類似于下面這段二進(jìn)制：

看著挺亂是吧，沒關(guān)系，后面我們會(huì)講解。大家只要清楚這段二進(jìn)制的程序需要保存在內(nèi)存里，這樣CPU才能讀取并執(zhí)行。

不僅是程序，3和14作為運(yùn)算的數(shù)據(jù)也是保存在內(nèi)存里的，CPU要做的動(dòng)作是從內(nèi)存中某個(gè)地址讀取數(shù)據(jù)3和14，然后根據(jù)程序要求（加、減……）對(duì)二個(gè)數(shù)字進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果保存在內(nèi)存中某個(gè)地址處。

要實(shí)現(xiàn)這樣的功能，必須有一個(gè)約定，要讓CPU能夠識(shí)別相應(yīng)的動(dòng)作，即讀取、運(yùn)算、保存，所以我們建立如下約定：（稱為指令表）。

指令表可以理解為是程序的解釋器，當(dāng)CPU拿到一段程序，例如00101110時(shí)，它必須知道這意味著什么，而指令表就能起到答疑解惑的作用。

具體來說每段程序（指令）的前四位對(duì)應(yīng)著指令表中的操作碼，后四位對(duì)應(yīng)著指令表中的地址。比如00101110，前四位0010是操作碼，它的含義是LOAD_A（見指令表），代表讀取數(shù)據(jù)放入寄存器A。再看后四位1110，指令表中描述的內(nèi)容是“4位內(nèi)存地址”，這其實(shí)就是要讀取的數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址。連在一起的含義就是“在1110這個(gè)地址處讀取數(shù)據(jù)保存到寄存器A”。

接下來上電路！首先我們需要一塊內(nèi)存，可以直接使用上節(jié)提到的256B內(nèi)存，但為了方便起見，我們假設(shè)它只有16個(gè)地址，可以保存16個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)。另外需要六個(gè)寄存器，每個(gè)可以保存一個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)，其中寄存器A-D用于臨時(shí)存儲(chǔ)和操作數(shù)據(jù)，指令地址寄存器用于記錄程序運(yùn)行到哪里了（程序指令的地址），指令寄存器用于存放指令內(nèi)容。

接下來分析工作過程，當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，所有寄存器初始值都是00000000，CPU開始進(jìn)入第一個(gè)階段：取指令，也就是從內(nèi)存中獲取指令。指令地址寄存器會(huì)連接到內(nèi)存，讀取地址為00000000的數(shù)據(jù)，即00101110，這個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)保存在指令寄存器，第一個(gè)階段結(jié)束。

第二個(gè)階段：解碼，即弄清楚指令要做什么。其實(shí)前面我們已經(jīng)做了鋪墊，指令內(nèi)容是00101110，其中前四位0010是操作碼，在指令表中對(duì)應(yīng)的就是LOAD_A，指令后四位是1110，對(duì)應(yīng)的是4位內(nèi)存地址，整體意思就是從1110的位置讀取數(shù)據(jù)保存在寄存器A。但現(xiàn)在還沒有現(xiàn)成的電路能夠做解碼工作，所以我們需要添加一部分電路，如圖。

這部分新添加的電路我們暫且稱為解碼電路，指令寄存器的前四位數(shù)據(jù)0010作為解碼電路的輸入，經(jīng)過這些門電路的處理，最終會(huì)輸出1。換句話說，解碼電路的作用就是識(shí)別指令是否是0010（LOAD_A），只有指令是0010時(shí)，輸出才是1，否則就是0。

第三個(gè)階段：執(zhí)行。解碼電路的輸出會(huì)連接到內(nèi)存的允許讀取端口，而指令寄存器的后四位1110會(huì)連接到內(nèi)存的地址端口，這樣就相當(dāng)于允許讀取內(nèi)存地址為1110的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)是00000011（十進(jìn)制3）。

接下來這個(gè)數(shù)據(jù)要如何保存到寄存器A呢？我們需要讓解碼電路的輸出同時(shí)連接到寄存器A的允許寫入端口，而四個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)輸入端口要連接到內(nèi)存的數(shù)據(jù)端口。當(dāng)數(shù)據(jù)00000011被讀取出來時(shí)，會(huì)同時(shí)發(fā)給四個(gè)寄存器，但只有寄存器A是允許寫入的，所以數(shù)據(jù)就被保存在寄存器A中了。

接下來將指令地址寄存器+1，變成00000001，以便取下一條指令，后面的步驟與前面類似。需要注意的是，前面的解碼電路只能識(shí)別第一條指令LOAD_A，后面每一條指令都需要單獨(dú)的解碼電路支持。我們把所有指令對(duì)應(yīng)的解碼電路和指令寄存器、指令地址寄存器等部分統(tǒng)一叫做控制單元。

接下來我們快速分析剩余的指令，現(xiàn)在指令地址是00000001，所以從內(nèi)存中取出00011111存入指令寄存器。前四位0001對(duì)應(yīng)的指令就是LOAD_B，后四位1111是要讀取的內(nèi)存地址，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)是00001110（十進(jìn)制14），這個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)被存放到寄存器B中。然后指令地址寄存器+1（00000010），繼續(xù)取下一條指令。指令內(nèi)容是10000100，前四位1000在指令表中對(duì)應(yīng)的是ADD，后四位0100分別是二個(gè)寄存器的地址01和00（因?yàn)榧拇嫫鰽-D只有四個(gè)，用二位二進(jìn)制數(shù)就可以描述），其中00是寄存器A，01是寄存器B，所以這個(gè)指令的作用就是將寄存器A、寄存器B的值相加。涉及到加法，就要用到之前講過的算術(shù)邏輯單元，也稱運(yùn)算單元（ALU）了，我們簡化一下電路如下：

寄存器A、B會(huì)通過控制單元連接到運(yùn)算單元的二個(gè)輸入端，同時(shí)控制單元會(huì)將操作符也傳遞給運(yùn)算單元，這樣就可以計(jì)算了。計(jì)算的結(jié)果必須保存起來才行，但指令本身并未明確保存在哪里，所以這里面有個(gè)約定，運(yùn)算結(jié)果會(huì)保存在指令地址中最后一個(gè)寄存器里，二個(gè)寄存器地址分別是01和00，后面就是00，也就是寄存器A，所以最終結(jié)果會(huì)通過控制單元保存到寄存器A中，這個(gè)結(jié)果是00010001（十進(jìn)制17）。

指令地址寄存器+1（00000011），繼續(xù)取下一條指令。指令內(nèi)容是01000111，前四位0100表明指令是STORE_A，即將寄存器A的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，內(nèi)存地址就是指令的后四位0111，控制單元會(huì)發(fā)送給寄存器A允許讀取信號(hào)，發(fā)送給內(nèi)存允許寫入信號(hào)，將寄存器A的值保存在內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的位置。

終于我們完成了一句簡單的程序任務(wù)，兩數(shù)相加，并成功保存結(jié)果。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)指令的讀取、解碼、執(zhí)行，相當(dāng)于一個(gè)周期，CPU就是不斷的重復(fù)這個(gè)周期，進(jìn)而完成各類任務(wù)。在每個(gè)周期中算術(shù)邏輯單元、控制單元、存儲(chǔ)單元（內(nèi)存）都需要密切配合，節(jié)奏不能亂，才能保證最后的結(jié)果正確。但如何確保這個(gè)節(jié)奏是恰當(dāng)?shù)哪兀考炔荒芴?，因?yàn)榧词故请娦盘?hào)的處理也需要時(shí)間，也不能太慢，造成計(jì)算效率太低。所以有一個(gè)單獨(dú)的電路在控制這個(gè)節(jié)奏，就好像一臺(tái)時(shí)鐘，精確的指揮各個(gè)部分有條不紊的運(yùn)行。CPU都有一個(gè)重要的指標(biāo)：主頻，例如2.6GHz，相當(dāng)于26億次周期/秒，意味著一秒鐘內(nèi)CPU會(huì)執(zhí)行26億次周期，主頻越高的CPU代表速度越快。我們把帶有時(shí)鐘電路的算術(shù)邏輯單元、控制單元、6個(gè)寄存器封裝成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，這就是CPU！

至此，我們從一個(gè)簡單的晶體管開關(guān)開始，一路添磚加瓦，終于打造了一個(gè)完整的CPU，當(dāng)然也是最基礎(chǔ)的CPU。相信這個(gè)系列文章能讓我們對(duì)硬件與軟件的結(jié)合點(diǎn)有了清晰的認(rèn)知，我們?nèi)粘Ｋ褂玫母黝愜浖际浅绦蛑噶罹帉懗鰜淼?，每個(gè)程序的每條指令在CPU內(nèi)部都會(huì)經(jīng)歷眾多晶體管開關(guān)的處理，最終完成我們希望的任務(wù)。