一文讀懂CPU構(gòu)造的基本原理是什么？

過去200年人類最重要的發(fā)明是什么？蒸汽機(jī)？電燈？火箭？這些可能都不是，最重要的也許是這個小東西：這個小東西就叫晶體管，你可能會問，晶體管有什么用呢？實際上晶體管的功能簡單到不能再簡單，給一端通上電，那么電流可以從另外兩端通過，否則不能通過，其本質(zhì)就是一個開關(guān)。就是這個小東西的發(fā)明讓三個人獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，可見其舉足輕重的地位。無論程序員編寫的程序多么復(fù)雜，軟件承載的功能最終都是通過這個小東西簡單的開閉完成的，除了神奇二字，我想不出其它詞來。

AND、OR、NOT現(xiàn)在有了晶體管，也就是開關(guān)，在此基礎(chǔ)之上就可以搭積木了，你隨手搭建出來這樣三種組合：

兩個開關(guān)只有同時打開電流才會通過，燈才會亮

兩個開關(guān)中只要有一個打開電流就能通過，燈就會亮

當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時電流通過燈會亮，打開開關(guān)燈反而電流不能通過燈會滅

天賦異稟的你搭建的上述組合分別就是：與門，AND Gate、或門，OR gate、非門，NOT gate，用符號表示就是這樣：

道生一、一生二、二生三、三生萬物最神奇的是，你隨手搭建的三種電路竟然有一種很amazing的特性，那就是：任何一個邏輯函數(shù)最終都可以通過AND、OR以及NOT表達(dá)出來，這就是所謂的邏輯完備性，就是這么神奇。也就是說給定足夠的AND、OR以及NOT門，就可以實現(xiàn)任何一個邏輯函數(shù)，除此之外我們不需要任何其它類型的邏輯門電路，這時我

們認(rèn)為AND、OR、NOT門就是邏輯完備的。這一結(jié)論的得出吹響了計算機(jī)革命的號角，這個結(jié)論告訴我們計算機(jī)最終可以通過簡單的AND、OR、NOT門構(gòu)造出來，這些簡單的邏輯門電路就好比基因。老子有云：道生一、一生二、二生三、三生萬物，實乃異曲同工之妙。雖然，我們可以用AND、OR、NOT來實現(xiàn)所有的邏輯運(yùn)算，但我們真的需要把所有的邏輯運(yùn)算都用AND、OR、NOT門實現(xiàn)出來嗎？顯然不是，而且這也不太可行。

計算能力是怎么來的現(xiàn)在能生成萬物的基礎(chǔ)元素與或非門出現(xiàn)了，接下來我們著手設(shè)計CPU 最重要的能力：計算，以加法為例。由于CPU只認(rèn)知 0 和 1，也就是二進(jìn)制，那么二進(jìn)制的加法有哪些組合呢：

0 + 0，結(jié)果為0，進(jìn)位為0

0 + 1，結(jié)果為1，進(jìn)位為0

1 + 0，結(jié)果為1，進(jìn)位為0

1 + 1，結(jié)果為0，進(jìn)位為1，二進(jìn)制嘛！

注意進(jìn)位一列，只有當(dāng)兩路輸入的值都是 1 時，進(jìn)位才是 1 ，看一下你設(shè)計的三種組合電路，這就是與門啊，有沒有！再看下結(jié)果一列，當(dāng)兩路輸入的值不同時結(jié)果為1，輸入結(jié)果相同時結(jié)果為0，這就是異或啊，有沒有！我們說過與或非門是邏輯完備可以生萬物，異或邏輯當(dāng)然不在話下，用一個與門和一個異或門就可以實現(xiàn)二進(jìn)制加法：

上述電路就是一個簡單的加法器，就問你神奇不神奇，加法可以用與或非門實現(xiàn)，其它的也一樣能實現(xiàn)，邏輯完備嘛。除了加法，我們也可以根據(jù)需要將不同的算數(shù)運(yùn)算設(shè)計出來，負(fù)責(zé)計算的電路有一個統(tǒng)稱，這就是所謂的arithmetic/logic unit，ALU，CPU 中專門負(fù)責(zé)運(yùn)算的模塊，本質(zhì)上和上面的簡單電路沒什么區(qū)別，就是更加復(fù)雜而已?，F(xiàn)在，通過與或非門的組合我們獲得了計算能力，計算能力就是這么來的。但，只有計算能力是不夠的，電路需要能記得住信息。

神奇的記憶能力到目前為止，你設(shè)計的組合電路比如加法器天生是沒有辦法存儲信息的，它們只是簡單的根據(jù)輸入得出輸出，但輸入輸出總的有個地方能夠保存起來，這就是需要電路能保存信息。電路怎么能保存信息呢？你不知道該怎么設(shè)計，這個問題解決不了你寢食難安，吃飯時在思考、走路時在思考，蹲坑時在思考，直到有一天你在夢中遇

一位英國物理學(xué)家，他給了你這樣一個簡單但極其神奇的電路：這是兩個NAND門的組合，不要緊張，NAND也是有你設(shè)計的與或非門組合而成的，所謂NAND門就是與非門，先與然后取非，比如給定輸入1和0，那么與運(yùn)算后為0，非運(yùn)算后為1，這就是與非門，這些不重要。比較獨(dú)特的是該電路的組合方式，一個NAND門的輸出是兩一個NAND門的輸入，該電路的組合方式會自帶一種很有趣的特性，只要給S和R段輸入1，那么這個電路只會有兩種狀態(tài)：

要么a端為1，此時B=0、A=1、b=0；

要么a端為0，此時B=1、A=0、b=1;

不會再有其他可能了，我們把a(bǔ)端的值作為電路的輸出。此后，你把S端置為0的話（R保持為1），那么電路的輸出也就是a端永遠(yuǎn)為1，這時就可以說我們把1存到電路中了；而如果你把R段置為0的話（S保持為1），那么此時電路的輸出也就是a端永遠(yuǎn)為0，此時我們可以說把0存到電路中了。就問你神奇不神奇，電路竟然具備存儲信息的能力了?，F(xiàn)在

為保存信息你需要同時設(shè)置S端和R端，但你的輸入是有一個（存儲一個bit位嘛），為此你對電路進(jìn)行了簡單的改造：這樣，當(dāng)D為0時，整個電路保存的就是0，否則就是1。

寄存器與內(nèi)存的誕生現(xiàn)在你的電路能存儲一個比特位了，想存儲多個比特位還不簡單，復(fù)制粘貼就可以了：我們管這個組合電路就叫寄存器，你沒有看錯，我們常說的寄存器就是這個東西。你不滿足，還要繼續(xù)搭建更加復(fù)雜的電路以存儲更多信息，同時提供尋址功能，就這樣內(nèi)存也誕生了。寄存器及內(nèi)存都離不開上一節(jié)那個簡單電路，只要通電，這個電路中就保存信息，但是斷電后很顯然保存的信息就丟掉了，現(xiàn)在你應(yīng)該明白為什么內(nèi)存在斷電后就不能保存數(shù)據(jù)了吧。

硬件還是軟件？現(xiàn)在我們的電路可以計算數(shù)據(jù)、也可以存儲信息，但現(xiàn)在還有一個問題，那就是盡管我們可以用AND、OR、NOT表達(dá)出所有的邏輯函數(shù)，但我們真的有必要把所有的邏輯運(yùn)算都用與或非門實現(xiàn)出來嗎？這顯然是不現(xiàn)實的。這就好比廚師，你沒有聽說只專做一道菜的廚師然后酒店要把各個菜系廚師雇全才能做出一桌菜來吧！中國菜系博大精深，千差萬別，但制作每道菜品的方式大同小異，其中包括刀工、顛勺技術(shù)等，這些是基本功，制作每道菜品都要經(jīng)過這些步驟，變化的也無非就是食材、火候、調(diào)料等，這些放到菜譜中即可，這樣給廚師一個菜譜他就能制作出任意的菜來，在這里廚師就好比硬件，菜譜就好比軟件。同樣的道理，我們沒有必要為所有的計算邏輯實現(xiàn)出對應(yīng)的硬件，硬件只需要提供最基本的功能，最終所有的計算邏輯都通過這些最基本的功能用軟件表達(dá)出來就好，這就是所謂的軟件一詞的來源，硬件不可變，但軟件可變，不變的是硬件但提供不同的軟件就能讓硬件實現(xiàn)全新的功能，無比天才的思想，人類真的是太聰明了。同樣一臺計算機(jī)硬件，安裝上word你就能編輯文檔，安裝上微信你就能讀到碼農(nóng)的荒島求生公眾號、安裝上游戲你就能玩王者農(nóng)藥，硬件還是那套硬件，提供不同的軟件就是實現(xiàn)不同的功能，每次打開電腦使用各種App時沒有在內(nèi)心高呼一聲牛逼你都對不起計算機(jī)這么偉大的發(fā)明創(chuàng)造，這就是為什么計算機(jī)被稱為通用計算設(shè)備的原因，這一思想是計算機(jī)科學(xué)祖師爺圖靈提出的。

扯遠(yuǎn)了，接下來我們看下硬件是怎么提供所謂的基本功能的。

硬件的基本功讓我們來思考一個問題，CPU怎么能知道自己要去對兩個數(shù)進(jìn)行加法計算，以及哪兩個數(shù)進(jìn)行加法計算呢？很顯然，你得告訴CPU，該怎么告訴呢？還記得上一節(jié)中給廚師的菜譜嗎？沒錯，CPU也需要一張菜譜告訴自己該接下來該干啥，在這里菜譜就是機(jī)器指令，指令通過我們上述實現(xiàn)的組合電路來執(zhí)行。接下來我們面臨另一個問題，那就是這樣的指令應(yīng)該會很多吧，廢話，還是以加法指令為例，你可以讓CPU計算1+1，也可以計算1+2等等，實際上單單加法指令就可以有無數(shù)種組合，顯然CPU不可能去實現(xiàn)所有的指令。實際上CPU只需要提供加法操作，你提供操作數(shù)就可以了，CPU 說：“我可以打人”，你告訴CPU該打誰、CPU 說：“我可以唱歌”，你告訴CPU唱什么，CPU 說我可以做飯，你告訴CPU該做什么飯，CPU 說：“我可以炒股”，你告訴CPU快滾一邊去吧韭菜。因此我們可以看到CPU只提供機(jī)制或者說功能（打人、唱歌、炒菜，加法、減法、跳轉(zhuǎn)），我們提供策略（打誰、歌名、菜名，操作數(shù)，跳轉(zhuǎn)地址）。CPU 表達(dá)機(jī)制就通過指令集來實現(xiàn)的。

指令集指令集告訴我們CPU可以執(zhí)行什么指令，每種指令需要提供什么樣的操作數(shù)。不同類型的CPU會有不同的指令集。指令集中的指令其實都非常簡單，畫風(fēng)大體上是這樣的：

從內(nèi)存中讀一個數(shù)，地址是abc

對兩個數(shù)加和

檢查一個數(shù)是不是大于6

把這數(shù)存儲到內(nèi)存，地址是abc

等等

看上去很像碎碎念有沒有，這就是機(jī)器指令，我們用高級語言編寫的程序，比如對一個數(shù)組進(jìn)行排序，最終都會等價轉(zhuǎn)換為上面的碎碎念指令，然后CPU一條一條的去執(zhí)行，很神奇有沒有。接下來我們看一條可能的機(jī)器指令：

這條指令占據(jù)16比特，其中前四個比特告訴CPU這是加法指令，這意味著該CPU的指令集中可以包含2^4也就是16個機(jī)器指令，這四個比特位告訴CPU該做什么，剩下的bit告訴CPU該怎么做，也就是把寄存器R6和寄存器R2中的值相加然后寫到寄存器R6中。可以看到，機(jī)器指令是非常繁瑣的，現(xiàn)代程序員都使用高級語言來編寫程序，關(guān)于高級程序語言以及機(jī)器指令的話題請參見《你管這破玩意叫編程語言？》。

指揮家：讓我們演奏一曲現(xiàn)在我們的電路有了計算功能、存儲功能，還可以通過指令告訴該電路執(zhí)行什么操作，還有一個問題沒有解決。我們的電路有很多部分，用來計算的、用來存儲的，以最簡單的加法為例，假設(shè)我們要計算1+1，這兩個數(shù)分別來自寄存器R1 和 R2，要知道寄存器中可以保存任意值，我們怎么能確保加法器開始工作時R1和R2中在這一時刻保存的都是1而不是其它數(shù)？即，我們靠什么來協(xié)調(diào)或者說靠什么來同步電路各個部分讓它們協(xié)同工作呢？就像一場成功的交響樂演離不開指揮家一樣，我們的計算組合電路也需要這樣一個指揮家。負(fù)責(zé)指揮角色的就是時鐘信號。時鐘信號就像指揮家手里拿的指揮棒，指揮棒揮動一下整個樂隊會整齊劃一的有個相應(yīng)動作，同樣的，時鐘信號每一次電壓改變，整個電路中的各個寄存器（也就是整個電路的狀態(tài)）會更新一下，這樣我們就能確保整個電路協(xié)同工作不會這里提到的問題。現(xiàn)在你應(yīng)該知道CPU的主頻是什么意思了吧，主頻是說一秒鐘指揮棒揮動了多少次，顯然主頻越高CPU在一秒內(nèi)完成的操作也就越多。

大功告成現(xiàn)在我們有了可以完成各種計算的ALU、可以存儲信息的寄存器以及控制它們協(xié)同工作的時鐘信號，這些統(tǒng)稱 Central Processing Unit，簡稱就是 CPU。

總結(jié)一個小小的開關(guān)竟然能構(gòu)造出功能強(qiáng)大的CPU ，這背后理論和制造工藝的突破是人類史上的里程碑時刻，說CPU是智慧的結(jié)晶簡直再正確不過。

本文從一枚開關(guān)開始講解了CPU構(gòu)造的基本原理，希望這篇對大家理解 CPU 有所幫助。

責(zé)任編輯：lq6