幾乎每天都會開燈關燈，但這簡單的開關卻是組成CPU的基本單元。

分享本文，來看下怎么構建CPU這個非0即1的開關世界。

從晶體管到門電路

上世紀出現了晶體管這個小而偉大的發明。

有了晶體管，也就是開關，在此基礎之上就可以搭建與、或、非門電路。

任何一個邏輯函數最終都可以通過與、或、非表達出來。也就是說，計算機最終可以通過簡單的與、或、非門構造出來。

與或非門實現計算、存儲電路 計算

以加法為例。

由于CPU只認知 0 和 1，也就是二進制，那么二進制的加法有哪些組合呢：

0 + 0，結果為0，進位為0

0 + 1，結果為1，進位為0

1 + 0，結果為1，進位為0

1 + 1，結果為0，進位為1

注意進位這一列，只有當兩路輸入的值都是 1 時，進位才是 1 ，這就是與門啊！

再看下結果一列，當兩路輸入的值不同時結果為1，輸入結果相同時結果為0，這就是異或啊！

如下圖，用一個與門和一個異或門就可以實現二進制加法：

????

上述電路就是一個簡單的加法器，加法可以用與或非門實現。

除了加法，我們也可以根據需要將不同的算數運算設計出來，負責計算的電路有一個統稱，這就是所謂的算術邏輯單元ALU（arithmetic/logic unit），是CPU 中專門負責運算的模塊，本質上和上面的簡單電路沒什么區別，就是更加復雜而已。

現在，通過與或非門的組合我們獲得了計算能力，計算能力就是這么來的。

但，只有計算能力是不夠的，電路需要能記得住信息。

存儲

到目前為止，你設計的組合電路比如加法器天生是沒有辦法存儲信息的，它們只是簡單的根據輸入得出輸出，但輸入輸出總的有個地方能夠保存起來，這就是需要電路能保存信息。

電路怎么能保存信息呢？有一天一位英國物理學家，給出了這樣一個神奇電路：

????

這是兩個與非門的組合。

比較獨特的是該電路的組合方式，一個與非門的輸出是另一個與非門的輸入。該電路的組合方式會自帶一種很有趣的特性，只要給S和R端輸入1，那么這個電路只會有兩種狀態:

a端為1，此時B=0、A=1、b=0；

a端為0，此時B=1、A=0、b=1;

不會再有其他可能了，我們把a端的值作為電路的輸出。

此后，你把S端置為0的話(R保持為1)，那么電路的輸出也就是a端永遠為1，這時就可以說我們把1存到電路中了；而如果你把R段置為0的話(S保持為1)，那么此時電路的輸出也就是a端永遠為0，此時我們可以說把0存到電路中了。

就這樣，電路具備存儲信息的能力了。

現在為保存信息你需要同時設置S端和R端，但你的輸入是有一個(存儲一個bit位嘛)，為此你對電路進行了改造：

????

這樣，當D為0時，整個電路保存的就是0，否則就是1。

寄存器與內存

現在你的電路能存儲一個比特位了，想存儲多個比特位還不簡單，復制粘貼就可以了：

????

我們管這個組合電路就叫寄存器。

如果繼續搭建更加復雜的電路以存儲更多信息，同時提供尋址功能，就這樣內存也誕生了。

寄存器及內存都離不開上文那個簡單電路，只要通電，這個電路中就保存信息，但是斷電后很顯然保存的信息就丟掉了，現在你應該明白為什么內存在斷電后就不能保存數據了吧。

構建CPU 硬件平臺

通過上文講解知道，電路可以實現數據計算、信息存儲的通用功能。但現在還有一個問題，真的有必要把所有的邏輯運算都用與或非門實現出來嗎？這顯然是不現實的。

沒有必要為所有的計算邏輯實現出對應的硬件，硬件只需要提供最通用的功能。

接下來看下硬件是怎么提供所謂的通用功能。

讓我們來思考一個問題，CPU怎么能知道自己要去對兩個數進行加法計算，以及哪兩個數進行加法計算呢？

很顯然，你得告訴CPU，該怎么告訴呢？

CPU也需要機器指令告訴自己該接下來該干什么，而指令通過我們上述實現的組合電路來執行。

指令集

指令集告訴我們 CPU 可以執行什么指令，每種指令需要提供什么樣的操作數。不同類型的CPU會有不同的指令集。

指令集中的指令其實都非常簡單，畫風大體上是這樣的：

從內存中讀一個數，地址是abc

對兩個數加和

檢查一個數是不是大于6

把這數存儲到內存，地址是abc

等等

看上去很像碎碎念有沒有，這就是機器指令，我們用高級語言編寫的程序，比如對一個數組進行排序，最終都會等價轉換為上面的碎碎念指令，然后 CPU 一條一條的去執行。

接下來看一條可能的機器指令：

????

這條指令占據16比特，其中前四個比特告訴CPU這是加法指令，這意味著該CPU的指令集中可以包含2^4也就是16個機器指令，這四個比特位告訴CPU該做什么，剩下的bit告訴CPU該怎么做，也就是把寄存器R6和寄存器R2中的值相加然后寫到寄存器R6中。 可以看到，機器指令是非常繁瑣的，現代程序員都使用高級語言來編寫程序。

時鐘信號

現在我們的電路有了計算功能、存儲功能，還可以通過指令告訴該電路執行什么操作，還有一個問題沒有解決。

靠什么來協調或者說靠什么來同步電路各個部分讓它們協同工作呢？

時鐘信號就像指揮家手里拿的指揮棒，指揮棒揮動一下整個樂隊會整齊劃一的有個相應動作，同樣的，時鐘信號每一次電壓改變，整個電路中的各個寄存器(也就是整個電路的狀態)會更新一下，這樣我們就能確保整個電路協同工作不會這里提到的問題。

現在你應該知道CPU的主頻是什么意思了吧，主頻是說一秒鐘指揮棒揮動了多少次，顯然主頻越高CPU在一秒內完成的操作也就越多。

大功告成

現在我們有了可以完成各種計算的ALU、可以存儲信息的寄存器以及控制它們協同工作的時鐘信號，這些統稱 Central Processing Unit，簡稱就是 CPU。

一個小小的開關竟然能構造出功能強大的 CPU ，這背后理論和制造工藝的突破是人類史上的里程碑時刻，說 CPU 是智慧的結晶簡直再正確不過。

審核編輯：劉清