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昨晚在回顾之前所写的问答时，我发现一篇关于“CPU是怎么认识代码”的问题热度很高，很多朋友表示看了我写依旧云里雾里，不得要领。原因在于我主要讲的是编译器的作用和CPU的工作模式，没有涉及到更加底层的知识。大家的疑惑主要集中在一点：我们都清楚CPU只认识0和1，但CPU到底是如何认识0和1的呢？ 机器是没有思想的，只会安装规定好的电路工作我们在学习单片机的时候，都会将写好的程序烧录进CPU里。那么各位有没有想过，这个过程为什么要叫“烧录”? 原因就是它是真的在烧：一块芯片的内部是密密麻麻，呈矩阵排列的熔丝。当我们写好程序后，程序经过编译器转换成二进制代码（0或1），再通过烧录器的大量流烧断熔丝，将这些二进制代码写进空白的芯片。程序中的0表示这条熔丝要烧断，1表示这条熔丝不烧，以此方法记录二进制信息。程序烧录好后，芯片就有了逻辑功能。 简单来讲，烧录就是规定好了电路，用户只需给CPU通电就行，它就可以按照事先规定好的电路得出结果。从用户的角度来看，好像是计算机读懂了我们写的程序，但实际上它就是循规蹈矩，这点和我们去开灯关灯没什么区别，只是通断更多，电路状态更加复杂。 下图是一张早期的只读存储器PROM，由于它在烧录后熔丝无法恢复，所以只能用来存储特定的程序，所以也被叫做一次性存储器。  现在这种熔丝设计的存储器基本上被淘汰了，取而代之的是可以反复擦写的EPROM，在结构上是这样的：  我们会发现，EPROM的并没有采用熔丝设计，而是一种像沟壑的东西，这其实是现代数字电路的基础——场效应管。在具体介绍场效应管前，我们先来了解一下计算机的发展和集成电路。 计算机发展史和数字电路从1946年第一台真正意义上的电子计算机ENIAC面世至今，计算机的硬件技术已经发展到了第四代。
根据功能和结构的不同，集成电路可以分成三种：模拟电路，数字电路，数/模混合电路。由于模拟电路不稳定，且抗干扰能力较差，而数/模混合还不太成熟，目前我们主要使用的集成电路板都是由数字电路搭建的。 所谓数字电路，就是用数学信号完成对数字量进程数值运算和逻辑运算的电路，其基本电学原理，都与模拟电路相同。在理解了什么是数字电路后，我们再来看场效应管。  场效应管简称为MOS，是一类金属-氧化物构成的半导体。蓝色部分是场效应管的主体部分，平时处于是绝缘的，此时源级（Source）和漏级（Drain)的电流不能从中间流过。当栅极（Gate）有电压时，一部分蓝色区域变成导体，源级和漏级就被打通了。 于是我们只要通过是否给栅极电压，就能实现电路导通与否，就好比我们去开关灯一样。需要注意的是，场效应管看上去和模拟电路中的PN结二极管有些类似，都是实现对电流的控制，但两者有着本质的区别：场效应管是电压控制元件，二极管是电流控制元件，MOS不会出现击穿情况，在安全性上要比二极管高得多。 在理解了什么是烧录和MOS的作用后，我们就可以设计电路，来实现算数与逻辑的运算了。 布尔运算，二进制和门电路1845年，英国一位名不见经传的数学家乔治·布尔在礼拜时心血来潮，认为哲学问题可以用数学来表示。他将自己的想法编成书，即《逻辑的数学分析》和《思维规律的研究》，详细阐述了如何将逻辑问题转换成数学公式。 布尔代数中只有两个值：1和0；三种运算：逻辑加、逻辑乘和逻辑非。这里的1和0并不是数字意义上的1和0，而是一个事物的两种矛盾状态。比如一个人，活着就是1，死了就是0。 虽然乔治·布尔的想法很有创新意义，但在当时并不受重视，甚至一度被认为是伪科学。直到乔治·布尔去世多年后，另一位计算机先驱人物，密码学的奠基人香农发现了这份被世人遗忘的宝藏。1938年，香农在《继电器与开关电路的符号分析》中，将布尔代数与开关电路联系起来，凭借该文章，年仅22岁的香农成功取得了麻省理工电气工程硕士学位。 人们可以依靠继电器构成逻辑门电路，从而逻辑上的运算结果：
从这三种基本的门电路，可以构成与非，异或等其他门电路，它们的符号和结构如下图所示：  有了门电路，人类制造出了第一款电子管计算机。在设计之初，科学家们还是沿用了人类的思维采用了十进制，用十个真空管代表一位上的0~9，看起来是很方便，但一个真空管对应一位数实在是太浪费了，计算机的体积也非常大。此时另一位不世出的天才科学家又站了出来，他就是被誉为“现代计算机之父”的冯诺依曼。 冯诺依曼提出将CPU改为了二进制，二进制的好处在于它刚好与高低电平相对应，他规定1代表高电平，0代表低电平；除此之外，二进制还有一个优势就是精度够高，举个例子，0~5V分成10份，电压每变化0.5V就代表十进制0~9中的一个值，当时电子元件的远不如现在这般精密，一旦出现误判后果是非常严重的。得益于这两点，二进制的设计一直被沿用至今。 自己设计一款CPU严格来讲，CPU只是芯片的一部分，不过目前我们习惯性的将这两个概念混在一起了。CPU全称为中央处理器，由控制单元，运算单元和存储单元三部分组成。这里我们单以运算器为例，来讲一下如何用逻辑门来实现数的运算  运算单元的类型有很多，加法器是最基础的一种，其余三种运算都能用加法来实现。 在不考虑进位情况下，根据布尔代数的定义，我们可以得到加法的真值表：  其中A,B为输入，C为进位，S为输出值，这种加法器叫做半加器，其布尔式为A⊕B=A¬B+¬AB  当需要考虑进位时，输入变成了三位数，根据布尔代数的定义，全加器需要多一个进位输入，所以需要使用两个半加器，将一个半加器的加和输出连接到另一个半加器，这样一来，就可以用来进位了。我们可以列出真值表，其布尔式如下： (A⊕B)⊕C=A⊕B⊕C，由于排版原因，此处不再展开。  门电路图如下，  当设计完全加器后，我们搭建二进制加法器了。以一个八位二进制加法器为例，则需使用八个全加器，2^8=256，所以该加法器可以进行0~255以内的加法运算，每一个全加器的进位输入与上一个全加器的进位输出相连。  因为减法可以看做是加负数（计算机通常采用“取反补1”），乘法看作是多个数相加，除法看作为次数是被除数的减法运算，所以我们便完成了运算器的设计。 无论是存储器（存储器中的0和1按照特定排序，构成不同的信息），运算器，还是控制器，他们在原理上都是一致的，都是根据布尔式推出的真值来设计出相应的门电路。所以大家现在可以理解，为什么CPU会卖的那么贵，在一块小小的CPU上集成这么多复杂的元件真的不是一件容易事。 简单来讲，一段代码会先被编译器翻译，变成0和1的排列，他们对应着的高低电平，根据电平的不同走不同的逻辑电路。我们只是从键盘上敲了几行代码，计算机就要做大量的运算工作。 所以将计算机评选为人类历史上文明程度最高的产物，真不是空穴来风。 |
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