從一枚開(kāi)關(guān)開(kāi)始講解CPU構(gòu)造的基本原理

每次回家開(kāi)燈時(shí)你有沒(méi)有想過(guò)，用你按的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)實(shí)際上能打造出復(fù)雜的 CPU 來(lái)，只不過(guò)需要的數(shù)量會(huì)比較多，也就幾十億個(gè)吧。

偉大的發(fā)明

過(guò)去200年人類(lèi)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(gè)小東西：這個(gè)小東西就叫晶體管，你可能會(huì)問(wèn)，晶體管有什么用呢？實(shí)際上晶體管的功能簡(jiǎn)單到不能再簡(jiǎn)單，給一端通上電，那么電流可以從另外兩端通過(guò)，否則不能通過(guò)，其本質(zhì)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)。就是這個(gè)小東西的發(fā)明讓三個(gè)人獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，可見(jiàn)其舉足輕重的地位。無(wú)論程序員編寫(xiě)的程序多么復(fù)雜，軟件承載的功能最終都是通過(guò)這個(gè)小東西簡(jiǎn)單的開(kāi)閉完成的，除了神奇二字，我想不出其它詞來(lái)。

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

兩個(gè)開(kāi)關(guān)只有同時(shí)打開(kāi)電流才會(huì)通過(guò)，燈才會(huì)亮

兩個(gè)開(kāi)關(guān)中只要有一個(gè)打開(kāi)電流就能通過(guò)，燈就會(huì)亮

當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)電流通過(guò)燈會(huì)亮，打開(kāi)開(kāi)關(guān)燈反而電流不能通過(guò)燈會(huì)滅

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

道生一、一生二、二生三、三生萬(wàn)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(gè)邏輯函數(shù)最終都可以通過(guò)AND、OR以及NOT表達(dá)出來(lái)，這就是所謂的邏輯完備性，就是這么神奇。也就是說(shuō)給定足夠的AND、OR以及NOT門(mén)，就可以實(shí)現(xiàn)任何一個(gè)邏輯函數(shù)，除此之外我們不需要任何其它類(lèi)型的邏輯門(mén)電路，這時(shí)我們認(rèn)為AND、OR、NOT門(mén)就是邏輯完備的。這一結(jié)論的得出吹響了計(jì)算機(jī)革命的號(hào)角，這個(gè)結(jié)論告訴我們計(jì)算機(jī)最終可以通過(guò)簡(jiǎn)單的AND、OR、NOT門(mén)構(gòu)造出來(lái)，這些簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)電路就好比基因。

老子有云：道生一、一生二、二生三、三生萬(wàn)物，實(shí)乃異曲同工之妙。雖然，我們可以用AND、OR、NOT來(lái)實(shí)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(mén)實(shí)現(xiàn)出來(lái)嗎？顯然不是，而且這也不太可行。

計(jì)算能力是怎么來(lái)的現(xiàn)在能生成萬(wàn)物的基礎(chǔ)元素與或非門(mén)出現(xiàn)了，接下來(lái)我們著手設(shè)計(jì)CPU 最重要的能力：計(jì)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(shí)，進(jìn)位才是 1 ，看一下你設(shè)計(jì)的三種組合電路，這就是與門(mén)啊，有沒(méi)有！再看下結(jié)果一列，當(dāng)兩路輸入的值不同時(shí)結(jié)果為1，輸入結(jié)果相同時(shí)結(jié)果為0，這就是異或啊，有沒(méi)有！

我們說(shuō)過(guò)與或非門(mén)是邏輯完備可以生萬(wàn)物，異或邏輯當(dāng)然不在話(huà)下，用一個(gè)與門(mén)和一個(gè)異或門(mén)就可以實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制加法：上述電路就是一個(gè)簡(jiǎn)單的加法器，就問(wèn)你神奇不神奇，加法可以用與或非門(mén)實(shí)現(xiàn)，其它的也一樣能實(shí)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(jì)出來(lái)，負(fù)責(zé)計(jì)算的電路有一個(gè)統(tǒng)稱(chēng)，這就是所謂的arithmetic/logic unit，ALU，CPU 中專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)運(yùn)算的模塊，本質(zhì)上和上面的簡(jiǎn)單電路沒(méi)什么區(qū)別，就是更加復(fù)雜而已?，F(xiàn)在，通過(guò)與或非門(mén)的組合我們獲得了計(jì)算能力，計(jì)算能力就是這么來(lái)的。但，只有計(jì)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(jì)的組合電路比如加法器天生是沒(méi)有辦法存儲(chǔ)信息的，它們只是簡(jiǎn)單的根據(jù)輸入得出輸出，但輸入輸出總的有個(gè)地方能夠保存起來(lái)，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(jì)，這個(gè)問(wèn)題解決不了你寢食難安，吃飯時(shí)在思考、走路時(shí)在思考，蹲坑時(shí)在思考，直到有一天你在夢(mèng)中遇一位英國(guó)物理學(xué)家，他給了你這樣一個(gè)簡(jiǎn)單但極其神奇的電路：這是兩個(gè)NAND門(mén)的組合，不要緊張，NAND也是有你設(shè)計(jì)的與或非門(mén)組合而成的，所謂NAND門(mén)就是與非門(mén)，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(mén)，這些不重要。比較獨(dú)特的是該電路的組合方式，一個(gè)NAND門(mén)的輸出是兩一個(gè)NAND門(mén)的輸入，該電路的組合方式會(huì)自帶一種很有趣的特性，只要給S和R段輸入1，那么這個(gè)電路只會(huì)有兩種狀態(tài)：

要么a端為1，此時(shí)B=0、A=1、b=0；

要么a端為0，此時(shí)B=1、A=0、b=1;

不會(huì)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(huà)（R保持為1），那么電路的輸出也就是a端永遠(yuǎn)為1，這時(shí)就可以說(shuō)我們把1存到電路中了；而如果你把R段置為0的話(huà)（S保持為1），那么此時(shí)電路的輸出也就是a端永遠(yuǎn)為0，此時(shí)我們可以說(shuō)把0存到電路中了。就問(wèn)你神奇不神奇，電路竟然具備存儲(chǔ)信息的能力了。

現(xiàn)在為保存信息你需要同時(shí)設(shè)置S端和R端，但你的輸入是有一個(gè)（存儲(chǔ)一個(gè)bit位嘛），為此你對(duì)電路進(jìn)行了簡(jiǎn)單的改造：這樣，當(dāng)D為0時(shí)，整個(gè)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(chǔ)一個(gè)比特位了，想存儲(chǔ)多個(gè)比特位還不簡(jiǎn)單，復(fù)制粘貼就可以了：我們管這個(gè)組合電路就叫寄存器，你沒(méi)有看錯(cuò)，我們常說(shuō)的寄存器就是這個(gè)東西。你不滿(mǎn)足，還要繼續(xù)搭建更加復(fù)雜的電路以存儲(chǔ)更多信息，同時(shí)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(kāi)上一節(jié)那個(gè)簡(jiǎn)單電路，只要通電，這個(gè)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(jì)算數(shù)據(jù)、也可以存儲(chǔ)信息，但現(xiàn)在還有一個(gè)問(wèn)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(mén)實(shí)現(xiàn)出來(lái)嗎？這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。這就好比廚師，你沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)只專(zhuān)做一道菜的廚師然后酒店要把各個(gè)菜系廚師雇全才能做出一桌菜來(lái)吧！

中國(guó)菜系博大精深，千差萬(wàn)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(guò)這些步驟，變化的也無(wú)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(gè)菜譜他就能制作出任意的菜來(lái)，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(méi)有必要為所有的計(jì)算邏輯實(shí)現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的硬件，硬件只需要提供最基本的功能，最終所有的計(jì)算邏輯都通過(guò)這些最基本的功能用軟件表達(dá)出來(lái)就好，這就是所謂的軟件一詞的來(lái)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(shí)現(xiàn)全新的功能，無(wú)比天才的思想，人類(lèi)真的是太聰明了。

同樣一臺(tái)計(jì)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(hào)、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(shí)現(xiàn)不同的功能，每次打開(kāi)電腦使用各種App時(shí)沒(méi)有在內(nèi)心高呼一聲牛逼你都對(duì)不起計(jì)算機(jī)這么偉大的發(fā)明創(chuàng)造，這就是為什么計(jì)算機(jī)被稱(chēng)為通用計(jì)算設(shè)備的原因，這一思想是計(jì)算機(jī)科學(xué)祖師爺圖靈提出的。扯遠(yuǎn)了，接下來(lái)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(lái)思考一個(gè)問(wèn)題，CPU怎么能知道自己要去對(duì)兩個(gè)數(shù)進(jìn)行加法計(jì)算，以及哪兩個(gè)數(shù)進(jìn)行加法計(jì)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(méi)錯(cuò)，CPU也需要一張菜譜告訴自己該接下來(lái)該干啥，在這里菜譜就是機(jī)器指令，指令通過(guò)我們上述實(shí)現(xiàn)的組合電路來(lái)執(zhí)行。

接下來(lái)我們面臨另一個(gè)問(wèn)題，那就是這樣的指令應(yīng)該會(huì)很多吧，廢話(huà)，還是以加法指令為例，你可以讓CPU計(jì)算1+1，也可以計(jì)算1+2等等，實(shí)際上單單加法指令就可以有無(wú)數(shù)種組合，顯然CPU不可能去實(shí)現(xiàn)所有的指令。實(shí)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(shuō)：“我可以打人”，你告訴CPU該打誰(shuí)、CPU 說(shuō)：“我可以唱歌”，你告訴CPU唱什么，CPU 說(shuō)我可以做飯，你告訴CPU該做什么飯，CPU 說(shuō)：“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(shuō)功能（打人、唱歌、炒菜，加法、減法、跳轉(zhuǎn)），我們提供策略（打誰(shuí)、歌名、菜名，操作數(shù)，跳轉(zhuǎn)地址）。CPU 表達(dá)機(jī)制就通過(guò)指令集來(lái)實(shí)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(lèi)型的CPU會(huì)有不同的指令集。指令集中的指令其實(shí)都非常簡(jiǎn)單，畫(huà)風(fēng)大體上是這樣的：

從內(nèi)存中讀一個(gè)數(shù)，地址是abc

對(duì)兩個(gè)數(shù)加和

檢查一個(gè)數(shù)是不是大于6

把這數(shù)存儲(chǔ)到內(nèi)存，地址是abc

等等

看上去很像碎碎念有沒(méi)有，這就是機(jī)器指令，我們用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，比如對(duì)一個(gè)數(shù)組進(jìn)行排序，最終都會(huì)等價(jià)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(méi)有。接下來(lái)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(gè)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(gè)機(jī)器指令，這四個(gè)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(xiě)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(jí)語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，關(guān)于高級(jí)程序語(yǔ)言以及機(jī)器指令的話(huà)題請(qǐng)參見(jiàn)《你管這破玩意叫編程語(yǔ)言？》。

指揮家：讓我們演奏一曲現(xiàn)在我們的電路有了計(jì)算功能、存儲(chǔ)功能，還可以通過(guò)指令告訴該電路執(zhí)行什么操作，還有一個(gè)問(wèn)題沒(méi)有解決。

我們的電路有很多部分，用來(lái)計(jì)算的、用來(lái)存儲(chǔ)的，以最簡(jiǎn)單的加法為例，假設(shè)我們要計(jì)算1+1，這兩個(gè)數(shù)分別來(lái)自寄存器R1 和 R2，要知道寄存器中可以保存任意值，我們?cè)趺茨艽_保加法器開(kāi)始工作時(shí)R1和R2中在這一時(shí)刻保存的都是1而不是其它數(shù)？即，我們靠什么來(lái)協(xié)調(diào)或者說(shuō)靠什么來(lái)同步電路各個(gè)部分讓它們協(xié)同工作呢？就像一場(chǎng)成功的交響樂(lè)演離不開(kāi)指揮家一樣，我們的計(jì)算組合電路也需要這樣一個(gè)指揮家。負(fù)責(zé)指揮角色的就是時(shí)鐘信號(hào)。

時(shí)鐘信號(hào)就像指揮家手里拿的指揮棒，指揮棒揮動(dòng)一下整個(gè)樂(lè)隊(duì)會(huì)整齊劃一的有個(gè)相應(yīng)動(dòng)作，同樣的，時(shí)鐘信號(hào)每一次電壓改變，整個(gè)電路中的各個(gè)寄存器（也就是整個(gè)電路的狀態(tài)）會(huì)更新一下，這樣我們就能確保整個(gè)電路協(xié)同工作不會(huì)這里提到的問(wèn)題?，F(xiàn)在你應(yīng)該知道CPU的主頻是什么意思了吧，主頻是說(shuō)一秒鐘指揮棒揮動(dòng)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(jì)算的ALU、可以存儲(chǔ)信息的寄存器以及控制它們協(xié)同工作的時(shí)鐘信號(hào)，這些統(tǒng)稱(chēng) Central Processing Unit，簡(jiǎn)稱(chēng)就是 CPU。

總結(jié)一個(gè)小小的開(kāi)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(lèi)史上的里程碑時(shí)刻，說(shuō) CPU 是智慧的結(jié)晶簡(jiǎn)直再正確不過(guò)。

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

責(zé)任編輯：haq