從燈泡到計算機的思想之旅
我和小宇早戀了，我們家住隔壁。
一、編碼與電路——信号的轉換
晚上父母會把手機沒收，但我們還想繼續聊天，又不敢發出聲音，于是我們想到了這個辦法...
我們把所有的中文都用燈泡的亮滅組合來表示，同時約定好每隔一秒讀取一次燈泡的狀态并記錄下來，這是我們的暗号。
我：亮亮滅滅亮
喜：滅亮亮滅滅
歡：亮滅亮滅亮
你：亮亮亮滅滅
這樣，我們雖然沒有了手機，依然可以日以繼日地聊天，雖然效率很低，但依然很快樂。
我和小宇就這樣在不經意間，将語言轉換成為了燈泡的亮滅組合，這個過程叫做編碼。
二、門電路——信号的關聯
我和小宇就這樣一直秘密保持着通話，直到上了大學，父母再也管不了我們用手機了。
但這麼多年的小燈泡通話，使我們總覺得事情沒那麼簡單，于是我們開始了一些新的探索。
我們增加了一個開關。此時當兩個開關同時閉合時，燈泡才會亮。
這樣兩個開關與燈泡之間，不再是之前簡單的對應關系了，而是有了邏輯。
開關的斷開與閉合分别對應着電路的斷開與連通。而小燈泡的不亮與亮，也分别對應着電路的斷開與連通。那這兩者就可以統一，不再依賴于具體的實物表現了。
還有，開關的連通與斷開，是主動的。而小燈泡的連通與斷開，是被動的，是結果。
我們把開關這裡的連通與斷開稱為輸入端，把燈泡的連通與斷開稱為輸出端，并且将整個電路都封裝在一個圖形裡，可以得到如下抽象：
我們決定把這種電路叫做門電路， 上面這個叫與門。
為了今後更為抽象的探索，我們将電路連通表示為數字 1，電路斷開表示為數字 0。
我們将這種表示方式稱為二進制。
| 輸入 A | 輸入 B | 輸出 |
| 1 | ||
慢慢地，我們發現了越來越多的玩法。
上面這種電路，我把他抽象成如下門電路形狀，叫做或門。
之後便一發不可收拾，我和小宇設計了越來越多的門電路，我們發現，隻要是我們能想到的邏輯關系，都可以設計成對應的門電路。
三、加法器——信号的計算
十進制數可以轉換成二進制數，而二進制數又可以對應到門電路的輸入端與輸出端。
于是我和小宇有了一個大膽的想法，能不能設計一個計算加法的電路呢？
我們首先從最簡單的一位二進制數相加開始：
0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=10
變成一張表格如下
| 加數 A | 加數 B | 加和輸出 | 進位輸出 |
即我們需要設計出一種電路，可以達到表中的輸入與輸出效果。
經過不懈努力，終于發現這個電路可以由異或門和與門兩個門電路組成。
這個裝置實作了二進制的一位加法，但它并不完美，因為隻考慮了這兩個數的進位輸出，但沒有考慮上一位的進位，是以隻能叫半加器。
如果将前一個進位考慮進來，隻需再多一個半加器，并且拼接一個或門即可。
此時我們已經建立好了一個完美的一位加法器，并自豪地稱之為全加器。
全加器做出來之後，無論多少位的加法器就都可以做出來了，隻需将全加器逐個拼起來即可。我們嘗試做一個八位加法器。
OK，大功告成，有了加法器，理論上就可以實作任何的數學運算了。
因為我們知道乘法可以轉換成加法，除法可以轉換成減法，而減法又可以轉換成補碼的加法。現在我們可以自豪地稱這個部件為，算術邏輯單元 ALU。
四、時鐘——信号的震蕩
我和小宇都非常高興，終于用電路的方式實作了計算功能。
但慢慢的覺得沒什麼意思了，于是我們又突發奇想，設計了如下詭異的電路。
當閉合開關 A 時，整個電路聯通，開關 B 将會被吸下來，整個電路斷開，電磁鐵失去磁性，開關 B 又會彈上去，此時電路又聯通，開關 B 又被吸下來。
就這樣，開關 B 不斷地快速地在開和閉之間循環進行，而我們始終沒有去幹預這個電路，是以該電路有了自回報的特性。
由于開關 B 的來回震蕩，我們将這種電路稱為振蕩器，由于它可以産生不斷變化的電信号，就像時鐘一樣不停且規律地跑着，我們将這個裝置又稱為時鐘。它所産生的交替的電信号稱為時鐘信号。
五、RAM——儲存信号
雖然有了加法器，但是輸入的數字從哪裡來？能不能先儲存在某個地方呢？
我和小宇經過多次實驗，發明了一個非常複雜的電路：
如果輸入端為 1，改變"某控制端"信号（信号由 0 變化到 1 這個瞬間），則輸出端變為 1，之後輸出端仍然保持（存儲）着剛剛的 1。
如果輸入端為 0，改變"某控制端"信号，則輸出端變為 0，之後輸出端仍然保持（存儲）着剛剛的 0。
如果想不明白也沒關系，隻要記住這個電路的設計，實作了一位的存儲功能！我們叫它 1 位鎖存器。
然後我們把多個鎖存器組合起來，再加上一些 3-8 譯碼器，8-1 選擇器等電路，就可以實作一個能儲存 8 位二進制的存儲器，并且可以随機地讀寫它， 我們把它叫做 RAM，簡稱為記憶體。
這個元件通過再次組合，可以形成 N × M 的 RAM 陣列。比如我們可以表示一個 1024 * 8 的 RAM 陣列。
這表示存儲容量為 1024 個機關，每個機關占 8 位。
為了更友善地表示，我們規定 1024 = 1K，8 位 = 1 位元組（8 bit = 1 byte），那麼我們就可以說，這個 RAM 的存儲容量為 1K 個機關，每個機關占 1B。或者說，位址空間為 1K，存儲容量是 1KB。
此時這個 RAM 子產品已經近乎完美了，我們甚至可以單獨對其進行使用，将資料存入某個位址，将某個位址中的資料讀出。
怎麼友善人操作呢？隻需要将位址輸入、資料輸入、寫操作端分别接入一個控制台，由開關來控制這些信号的輸入是 1 還是 0 即可，然後再将資料輸出接入一些燈泡友善觀察，這樣一個單獨的可以手動操作的存儲裝置，就搞定啦。（下圖中有彩蛋~）
有了可讀寫的記憶體，我們就可以事先把幾個數字存儲記憶體中了，接下來，我們能否讓算術邏輯單元 ALU 自動地讀取這個數字，進行加法運算呢？
六、程式——自動化
我們先引入一個新的元件，10 位計數器，這裡的 Clk 就接入我們在第四部分講的時鐘信号，Clr 是清零端，具體效果下面動圖一目了然。
計數器的輸出就是 0，1，2，3，4，5，可以當作記憶體中的位址。
我們把這個計數器，以及上面講的 ALU 與 RAM 全部連在一起，嘗試實作一個可以累積求和的裝置。
我們想計算的是 1+2+3+4+5+6+7, 這個自動化的電腦是這麼運作的
1、用控制台在 RAM 的位址 0~6 處存上 1~7 這幾個數字的，在上一節已經實作了。
2、當計數器的值是 0 時，資料 1 被輸出到加法器進行計算，此時加法器 A=1，B=0，計算結果為 1，但記住鎖存器存儲的是上一次的加法器輸出 0，這次的計算結果要等下一次鎖存器遇到上升沿信号。
3、當計數器的值是 1 時， 資料 2 被輸入到加法器，此時鎖存器存儲了上一次的計算結果 1，并将這個 1 輸出給小燈泡，并同時回傳到加法器的B，是以此時加法器 A=2，B=1，計算結果為 3
4、當計數器的值是 3 時，以此類推，請看下圖
我們将累加求和這個過程自動化了！之後如果想計算累加和，隻需要用控制台事先在記憶體裡存好資料就可以了！是不是很友善？
七、程式指令
我們還想要更多的自動化！
現在這個裝置，隻能無腦地将 RAM 中的資料從頭到尾一直累加下去，無法選擇加哪個不加哪個，也無法選擇什麼時候停止。
比如我們 RAM 中的資料是這樣的。
| 位址（16 進制） | 資料（10進制） |
| 0x00 | ... |
| 0x01 | 10 |
| 0x02 | |
| 0x03 | 20 |
| 0x04 | 30 |
| 0x05 | |
我們隻想讓 RAM 藍色位址處的資料進行累加，其他地方的資料忽略，并且到 RAM 0x05 處就停止，該怎麼做呢？
我們可以再增加一個 RAM，這個 RAM 裡存放的資料，表示"指令"的含義！
我們先發明三種指令。
add：把 RAM 這個位置處的值進行累加
nop：忽略此處的值（也就是什麼都不做）
halt：停止（禁止計數器的值加一）
那麼要想達到上述功能，相應的這個指令 RAM 中的資料應該是這樣的。
注意：下面指令 RAM 的位址和上面資料 RAM 的位址之間有一一對應關系！
| 位址 （16 進制） | 指令RAM的值 | 指令含義 |
| nop | 什麼都不做 | |
| add | 累加 | |
| halt | 停止 | |
我們需要引入一個控制單元，放在如下位置。
遇到 nop 指令(0x00)，那輸出就将鎖存器的 W 位禁止，不允許鎖存器寫操作，這樣累加結果就不會錄入。
再比如遇到輸入為 halt 指令(0x05)，就将計數器的 EN 位禁止，不允許計數器 +1，這樣就達到了停止的效果。
此時再讓時鐘信号震蕩起來，就可以達到有選擇地求和過程，并且在指定位置懸停。那現在我們就讓時鐘信号震動起來，看看這個過程吧。（此處隻留關鍵元件）
這個控制單元該怎麼實作呢？我們知道，隻要給出輸入，給出輸出，任何元件都可以造出來。本文就不再展開了。
有了三個指令，我們知道了通過指令這種方式，配合各種複雜的控制器，即可實作将所有操作統統自動化。
接下來我們需要做的，就是設計控制器，以及約定好一大堆指令，使得通過這一大堆指令的排列組合，可以實作任何自動化的計算操作。
我們将設計好的一大堆指令
稱作指令集
我們将指令排列組合後可以實作的功能
稱作程式
我們将指令的排列組合這個過程
稱作程式設計
我們将排列組合這些指令的人
稱作程式員
而我們将承載這一切的裝置，叫做什麼呢？
沒錯，這個破玩意，就是
計算機
本文靈感來自一本計算機科普神作，《編碼 | 隐匿在計算機軟硬體背後的語言》，我在此向這本書緻敬。我把核心思想提取出來，寫成了低并發風格的文章，送給各位讀者。如果你對計算機對整體原理十分困惑，希望本篇文章可以讓你稍稍解惑。同時希望大家找時間可以将本書通篇閱讀，我保證你會很有收獲的。本文和本書的核心目的是讓你了解計算機的思想，實際上現在的計算機指令與資料都是放在記憶體中的，文中其他地方也都是對計算機的簡化模型，且不可出去真的和人家說計算機是個破玩意，尤其不許說這是低并發程式設計的閃客告訴你的喲~