一個(gè)個(gè)開(kāi)關(guān)竟能構(gòu)造出功能強(qiáng)大的CPU

幾乎每天都會(huì)開(kāi)燈關(guān)燈，但這簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)卻是組成CPU的基本單元。

分享本文，來(lái)看下怎么構(gòu)建CPU這個(gè)非0即1的開(kāi)關(guān)世界。

從晶體管到門(mén)電路

上世紀(jì)出現(xiàn)了晶體管這個(gè)小而偉大的發(fā)明。

有了晶體管，也就是開(kāi)關(guān)，在此基礎(chǔ)之上就可以搭建與、或、非門(mén)電路。

任何一個(gè)邏輯函數(shù)最終都可以通過(guò)與、或、非表達(dá)出來(lái)。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)最終可以通過(guò)簡(jiǎn)單的與、或、非門(mén)構(gòu)造出來(lái)。

與或非門(mén)實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)電路

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

注意進(jìn)位這一列，只有當(dāng)兩路輸入的值都是 1 時(shí)，進(jìn)位才是 1 ，這就是與門(mén)啊！

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！

如下圖，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，加法可以用與或非門(mén)實(shí)現(xiàn)。

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)，這就是所謂的算術(shù)邏輯單元ALU（arithmetic/logic unit），是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。

現(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。

存儲(chǔ)

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？有一天一位英國(guó)物理學(xué)家，給出了這樣一個(gè)神奇電路：

這是兩個(gè)與非門(mén)的組合。

比較獨(dú)特的是該電路的組合方式，一個(gè)與非門(mén)的輸出是另一個(gè)與非門(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端輸入1，那么這個(gè)電路只會(huì)有兩種狀態(tài)：

a端為1，此時(shí)B=0、A=1、b=0；

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。

就這樣，電路具備存儲(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

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。

如果繼續(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)上文那個(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。

構(gòu)建CPU

硬件平臺(tái)

通過(guò)上文講解知道，電路可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算、信息存儲(chǔ)的通用功能。但現(xiàn)在還有一個(gè)問(wèn)題，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。

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，硬件只需要提供最通用的功能。

接下來(lái)看下硬件是怎么提供所謂的通用功能。

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？

CPU也需要機(jī)器指令告訴自己該接下來(lái)該干什么，而指令通過(guò)我們上述實(shí)現(xiàn)的組合電路來(lái)執(zhí)行。

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。

接下來(lái)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。

時(shí)鐘信號(hào)

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。

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？

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。

現(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。

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)。