CPU是如何识别代码的呢？

最近读到这样一篇文章，从底层硬件角度出发剖析了一下CPU对代码的识别和读取，内容之精彩，读完感觉学到的很多东西瞬间联系起来了，分享给猿们。

首先要开始这个话题要先说一下半导体。啥叫半导体?半导体其实就是介于导体和绝缘体中间的一种东西，比如2二极管。

电流可以从A端流向C端，但反过来则不行。你可以把它理解成一种防止电流逆流的东西。

当C端10V，A端0V，二极管可以视为断开。

当C端0V，A端10V，二极管可以视为导线，结果就是A端的电流源源不断的流向C端，导致最后的结果就是A端=C端=10V

等等，不是说好的C端0V，A端10V么?咋就变成结果是A端=C端=10V了?

你可以把这个理解成初始状态，当最后稳定下来之后就会变成A端=C端=10V。

如果你不能理解的话就记住这种情况下它相当于导线就行了。利用半导体，我们可以制作一些有趣的电路，比如【与门】。

此时A端B端只要有一个是0V，那Y端就会和0V地方直接导通，导致Y端也变成0V。只有AB两端都是10V，Y和AB之间才没有电流流动，Y端也才是10V。

我们把这个装置成为【与门】，把有电压的地方计为1，0电压的地方计为0。至于具体几V电压，那不重要。也就是AB必须同时输入1，输出端Y才是1;AB有一个是0，输出端Y就是0。其他还有【或门】【非门】和【异或门】，跟这个都差不多，或门就是输入有一个是1输出就是1，输入00则输入0。

非门也好理解，就是输入1输出0，输入0输出1。异或门难理解一些，输入01或者10则输出1，输入00或者11则输出0。(即输入两个一样的值则输出0，输入两个不一样的值则输出1)。

这几种门都可以用二极管做出来，具体怎么做就不演示了，有兴趣的童鞋可以自己试试。我们把门电路简化成下面几个符号。

然后我们就可以用门电路来做CPU了。当然做CPU还是挺难的，我们先从简单的开始：加法器。

加法器顾名思义，就是一种用来算加法的电路，最简单的就是下面这种。

AB只能输入0或者1，也就是这个加法器能算0+0，1+0或者1+1。输出端S是结果，而C则代表是不是发生进位了，二进制1+1=10嘛。这个时候C=1，S=0费了大半天的力气，算个1+1是不是特别有成就感?那再进一步算个1+2吧(二进制01+10)，然后我们就发现了一个新的问题：第二位需要处理第一位有可能进位的问题，所以我们还得设计一个全加法器。

我们简化一下!

也就是有3个输入2个输出，分别输入要相加的两个数和上一位的进位，然后输入结果和是否进位。然后我们把这个全加法器串起来。

我们就有了一个4位加法器，可以计算4位数的加法也就是15+15。

做完加法器我们再做个乘法器吧，当然乘任意10进制数是有点麻烦的，我们先做个乘2的吧。乘2就很简单了，对于一个2进制数数我们在后面加个0就算是乘2了比如：

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

所以我们只要把输入都往前移动一位，再在最低位上补个零就算是乘2了。那乘3呢?简单，先位移一次(乘2)再加一次。乘5呢?先位移两次(乘4)再加一次。所以一般简单的CPU是没有乘法的，而乘法则是通过位移和加算的组合来通过软件来实现的。

现在假设你有8位加法器了，也有一个位移1位的模块了。串起来你就能算了!

(A+B)X2

激动人心，已经差不多到了准小学生水平。那我要是想算呢?

AX2+B

简单，你把加法器模块和位移模块的接线改一下就行了，改成输入A先过位移模块，再进加法器就可以了。

早期的计算机就是这样编程的，几分钟就算完了但插线好几天。而且插线是个细致且需要耐心的工作，所以我们需要改进一下，让CPU可以根据指令来相加或者乘2。

这里再引入两个模块，一个叫flip-flop，简称FF，中文叫触发器。

这个模块的作用是存储1bit数据。比如上面这个RS型的FF，R是Reset，输入1则清零。S是Set，输入1则保存1。RS都输入0的时候，会一直输出刚才保存的内容。

我们用FF来保存计算的中间数据(也可以是中间状态或者别的什么)，1bit肯定是不够的，不过我们可以并联嘛，用4个或者8个来保存4位或者8位数据。这种我们称之为寄存器(Register)。另外一个叫MUX，中文叫选择器。

这个就简单了，sel输入0则输出i0的数据，i0是什么就输出什么，01皆可。同理sel如果输入1则输出i1的数据。当然选择器可以做的很长，比如这种四进一出的。

有这个东西我们就可以给加法器和乘2模块(位移)设计一个激活针脚。这个激活针脚输入1则激活这个模块，输入0则不激活。这样我们就可以控制数据是流入加法器还是位移模块了。于是我们给CPU先设计8个输入针脚，4位指令，4位数据。我们再设计3个指令：

0100，数据读入寄存器0001，数据与寄存器相加，结果保存到寄存器0010，寄存器数据向左位移一位(乘2)

为什么这么设计呢，我们可以为每个模块设计一个激活针脚。然后我们可以分别用指令输入的第二第三第四个针脚连接寄存器，加法器和位移器的激活针脚。

这样我们输入0100这个指令的时候，寄存器输入被激活，其他模块都是0没有激活，数据就存入寄存器了。同理，如果我们输入0001这个指令，则加法器开始工作，我们就可以执行相加这个操作了。这里就可以简单回答这个问题的第一个小问题了：

那cpu 是为什么能看懂这些二级制的数呢?

为什么CPU能看懂，因为CPU里面的线就是这么接的。你输入一个二进制数，就像开关一样激活CPU里面若干个指定的模块以及改变这些模块的连同方式，最终得出结果。

审核编辑：汤梓红