這事兒說來話長,我們從頭推理,直到讓你明白 CPU 的工作原理。
因為你的問題當中,可以看出是渴求直到最根本的實體原理,還有基本的指令執行和資料儲存,是以本文不會涉及流水線等幹擾因素,就推導出最最簡單的 CPU 原理,甚至你自己都可以造一個。
讓我們從一個故事開始吧~
作者:閃客sun
我和小宇早戀了,我們家住隔壁。
![](https://img.laitimes.com/img/_0nNw4CM6IyYiwiM6ICdiwiI9s2RkBnVHFmb1clWvB3MaVnRtp1XlBXe0xCM581dvRWYoNHLwEzX5xCMx8FesU2cfdGLwATMfRHLGZkRGZkRfJ3bs92YskmNhVTYykVNQJVMRhXVEF1X0hXZ0xiNx8VZ6l2cssmch1mclRXY39CXldWYtlWPzNXZj9mcw1ycz9WL49zZwpmL0kjM1EzMjFmMlhjZ0UjNxYzX0EDNwcTMyEzLcBTMxIDMy8CXn9Gbi9CXzV2Zh1WavwVbvNmLvR3YxUjL1M3Lc9CX6MHc0RHaiojIsJye.jpg)
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!
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