小小开关竟能构造出功能强大的CPU

几乎每天都会开灯关灯，但这简单的开关却是组成CPU的基本单元。

分享本文，来看下怎么构建CPU这个非0即1的开关世界。

从晶体管到门电路

上世纪出现了晶体管这个小而伟大的发明。

有了晶体管，也就是开关，在此基础之上就可以搭建与、或、非门电路。

任何一个逻辑函数最终都可以通过与、或、非表达出来。也就是说，计算机最终可以通过简单的与、或、非门构造出来。

与或非门实现计算、存储电路

计算

以加法为例。

由于CPU只认知 0 和 1，也就是二进制，那么二进制的加法有哪些组合呢：

0 + 0，结果为0，进位为0

0 + 1，结果为1，进位为0

1 + 0，结果为1，进位为0

1 + 1，结果为0，进位为1

注意进位这一列，只有当两路输入的值都是 1 时，进位才是 1 ，这就是与门啊!

再看下结果一列，当两路输入的值不同时结果为1，输入结果相同时结果为0，这就是异或啊!

如下图，用一个与门和一个异或门就可以实现二进制加法：

上述电路就是一个简单的加法器，加法可以用与或非门实现。

除了加法，我们也可以根据需要将不同的算数运算设计出来，负责计算的电路有一个统称，这就是所谓的算术逻辑单元ALU(arithmetic/logic unit)，是CPU 中专门负责运算的模块，本质上和上面的简单电路没什么区别，就是更加复杂而已。

现在，通过与或非门的组合我们获得了计算能力，计算能力就是这么来的。

但，只有计算能力是不够的，电路需要能记得住信息。

存储

到目前为止，你设计的组合电路比如加法器天生是没有办法存储信息的，它们只是简单的根据输入得出输出，但输入输出总的有个地方能够保存起来，这就是需要电路能保存信息。

电路怎么能保存信息呢?有一天一位英国物理学家，给出了这样一个神奇电路：

这是两个与非门的组合。

比较独特的是该电路的组合方式，一个与非门的输出是另一个与非门的输入。该电路的组合方式会自带一种很有趣的特性，只要给S和R端输入1，那么这个电路只会有两种状态:

a端为1，此时B=0、A=1、b=0;

a端为0，此时B=1、A=0、b=1;

不会再有其他可能了，我们把a端的值作为电路的输出。

此后，你把S端置为0的话(R保持为1)，那么电路的输出也就是a端永远为1，这时就可以说我们把1存到电路中了;而如果你把R段置为0的话(S保持为1)，那么此时电路的输出也就是a端永远为0，此时我们可以说把0存到电路中了。

就这样，电路具备存储信息的能力了。

现在为保存信息你需要同时设置S端和R端，但你的输入是有一个(存储一个bit位嘛)，为此你对电路进行了改造：

这样，当D为0时，整个电路保存的就是0，否则就是1。

寄存器与内存

现在你的电路能存储一个比特位了，想存储多个比特位还不简单，复制粘贴就可以了：

我们管这个组合电路就叫寄存器。

如果继续搭建更加复杂的电路以存储更多信息，同时提供寻址功能，就这样内存也诞生了。

寄存器及内存都离不开上文那个简单电路，只要通电，这个电路中就保存信息，但是断电后很显然保存的信息就丢掉了，现在你应该明白为什么内存在断电后就不能保存数据了吧。

构建CPU

硬件平台

通过上文讲解知道，电路可以实现数据计算、信息存储的通用功能。但现在还有一个问题，真的有必要把所有的逻辑运算都用与或非门实现出来吗?这显然是不现实的。

没有必要为所有的计算逻辑实现出对应的硬件，硬件只需要提供最通用的功能。

接下来看下硬件是怎么提供所谓的通用功能。

让我们来思考一个问题，CPU怎么能知道自己要去对两个数进行加法计算，以及哪两个数进行加法计算呢?

很显然，你得告诉CPU，该怎么告诉呢?

CPU也需要机器指令告诉自己该接下来该干什么，而指令通过我们上述实现的组合电路来执行。

指令集

指令集告诉我们 CPU 可以执行什么指令，每种指令需要提供什么样的操作数。相关文章：CPU怎么识别我们写的代码?不同类型的CPU会有不同的指令集。

指令集中的指令其实都非常简单，画风大体上是这样的：

从内存中读一个数，地址是abc

对两个数加和

检查一个数是不是大于6

把这数存储到内存，地址是abc

等等

看上去很像碎碎念有没有，这就是机器指令，我们用高级语言编写的程序，比如对一个数组进行排序，最终都会等价转换为上面的碎碎念指令，然后 CPU 一条一条的去执行。

接下来看一条可能的机器指令：

这条指令占据16比特，其中前四个比特告诉CPU这是加法指令，这意味着该CPU的指令集中可以包含2^4也就是16个机器指令，这四个比特位告诉CPU该做什么，剩下的bit告诉CPU该怎么做，也就是把寄存器R6和寄存器R2中的值相加然后写到寄存器R6中。

可以看到，机器指令是非常繁琐的，现代程序员都使用高级语言来编写程序。

时钟信号

现在我们的电路有了计算功能、存储功能，还可以通过指令告诉该电路执行什么操作，还有一个问题没有解决。

靠什么来协调或者说靠什么来同步电路各个部分让它们协同工作呢?

时钟信号就像指挥家手里拿的指挥棒，指挥棒挥动一下整个乐队会整齐划一的有个相应动作，同样的，时钟信号每一次电压改变，整个电路中的各个寄存器(也就是整个电路的状态)会更新一下，这样我们就能确保整个电路协同工作不会这里提到的问题。

现在你应该知道CPU的主频是什么意思了吧，主频是说一秒钟指挥棒挥动了多少次，显然主频越高CPU在一秒内完成的操作也就越多。

大功告成

现在我们有了可以完成各种计算的ALU、可以存储信息的寄存器以及控制它们协同工作的时钟信号，这些统称 Central Processing Unit，简称就是 CPU。

一个小小的开关竟然能构造出功能强大的 CPU ，这背后理论和制造工艺的突破是人类史上的里程碑时刻，说 CPU 是智慧的结晶简直再正确不过。

审核编辑：汤梓红