CPU是如何識別代碼的呢？

最近讀到這樣一篇文章，從底層硬件角度出發(fā)剖析了一下CPU對代碼的識別和讀取，內(nèi)容之精彩，讀完感覺學到的很多東西瞬間聯(lián)系起來了，分享給猿們。

首先要開始這個話題要先說一下半導體。啥叫半導體?半導體其實就是介于導體和絕緣體中間的一種東西，比如2二極管。

電流可以從A端流向C端，但反過來則不行。你可以把它理解成一種防止電流逆流的東西。

當C端10V，A端0V，二極管可以視為斷開。

當C端0V，A端10V，二極管可以視為導線，結(jié)果就是A端的電流源源不斷的流向C端，導致最后的結(jié)果就是A端=C端=10V

等等，不是說好的C端0V，A端10V么?咋就變成結(jié)果是A端=C端=10V了?

你可以把這個理解成初始狀態(tài)，當最后穩(wěn)定下來之后就會變成A端=C端=10V。

如果你不能理解的話就記住這種情況下它相當于導線就行了。利用半導體，我們可以制作一些有趣的電路，比如【與門】。

此時A端B端只要有一個是0V，那Y端就會和0V地方直接導通，導致Y端也變成0V。只有AB兩端都是10V，Y和AB之間才沒有電流流動，Y端也才是10V。

我們把這個裝置成為【與門】，把有電壓的地方計為1，0電壓的地方計為0。至于具體幾V電壓，那不重要。也就是AB必須同時輸入1，輸出端Y才是1;AB有一個是0，輸出端Y就是0。其他還有【或門】【非門】和【異或門】，跟這個都差不多，或門就是輸入有一個是1輸出就是1，輸入00則輸入0。

非門也好理解，就是輸入1輸出0，輸入0輸出1。異或門難理解一些，輸入01或者10則輸出1，輸入00或者11則輸出0。(即輸入兩個一樣的值則輸出0，輸入兩個不一樣的值則輸出1)。

這幾種門都可以用二極管做出來，具體怎么做就不演示了，有興趣的童鞋可以自己試試。我們把門電路簡化成下面幾個符號。

然后我們就可以用門電路來做CPU了。當然做CPU還是挺難的，我們先從簡單的開始：加法器。

加法器顧名思義，就是一種用來算加法的電路，最簡單的就是下面這種。

AB只能輸入0或者1，也就是這個加法器能算0+0，1+0或者1+1。輸出端S是結(jié)果，而C則代表是不是發(fā)生進位了，二進制1+1=10嘛。這個時候C=1，S=0費了大半天的力氣，算個1+1是不是特別有成就感?那再進一步算個1+2吧(二進制01+10)，然后我們就發(fā)現(xiàn)了一個新的問題：第二位需要處理第一位有可能進位的問題，所以我們還得設(shè)計一個全加法器。

我們簡化一下!

也就是有3個輸入2個輸出，分別輸入要相加的兩個數(shù)和上一位的進位，然后輸入結(jié)果和是否進位。然后我們把這個全加法器串起來。

我們就有了一個4位加法器，可以計算4位數(shù)的加法也就是15+15。

做完加法器我們再做個乘法器吧，當然乘任意10進制數(shù)是有點麻煩的，我們先做個乘2的吧。乘2就很簡單了，對于一個2進制數(shù)數(shù)我們在后面加個0就算是乘2了比如：

5=101(2)10=1010(2)

所以我們只要把輸入都往前移動一位，再在最低位上補個零就算是乘2了。那乘3呢?簡單，先位移一次(乘2)再加一次。乘5呢?先位移兩次(乘4)再加一次。所以一般簡單的CPU是沒有乘法的，而乘法則是通過位移和加算的組合來通過軟件來實現(xiàn)的。

現(xiàn)在假設(shè)你有8位加法器了，也有一個位移1位的模塊了。串起來你就能算了!

(A+B)X2

激動人心，已經(jīng)差不多到了準小學生水平。那我要是想算呢?

AX2+B

簡單，你把加法器模塊和位移模塊的接線改一下就行了，改成輸入A先過位移模塊，再進加法器就可以了。

早期的計算機就是這樣編程的，幾分鐘就算完了但插線好幾天。而且插線是個細致且需要耐心的工作，所以我們需要改進一下，讓CPU可以根據(jù)指令來相加或者乘2。

這里再引入兩個模塊，一個叫flip-flop，簡稱FF，中文叫觸發(fā)器。

這個模塊的作用是存儲1bit數(shù)據(jù)。比如上面這個RS型的FF，R是Reset，輸入1則清零。S是Set，輸入1則保存1。RS都輸入0的時候，會一直輸出剛才保存的內(nèi)容。

我們用FF來保存計算的中間數(shù)據(jù)(也可以是中間狀態(tài)或者別的什么)，1bit肯定是不夠的，不過我們可以并聯(lián)嘛，用4個或者8個來保存4位或者8位數(shù)據(jù)。這種我們稱之為寄存器(Register)。另外一個叫MUX，中文叫選擇器。

這個就簡單了，sel輸入0則輸出i0的數(shù)據(jù)，i0是什么就輸出什么，01皆可。同理sel如果輸入1則輸出i1的數(shù)據(jù)。當然選擇器可以做的很長，比如這種四進一出的。

有這個東西我們就可以給加法器和乘2模塊(位移)設(shè)計一個激活針腳。這個激活針腳輸入1則激活這個模塊，輸入0則不激活。這樣我們就可以控制數(shù)據(jù)是流入加法器還是位移模塊了。于是我們給CPU先設(shè)計8個輸入針腳，4位指令，4位數(shù)據(jù)。我們再設(shè)計3個指令：

0100，數(shù)據(jù)讀入寄存器0001，數(shù)據(jù)與寄存器相加，結(jié)果保存到寄存器0010，寄存器數(shù)據(jù)向左位移一位(乘2)

為什么這么設(shè)計呢，我們可以為每個模塊設(shè)計一個激活針腳。然后我們可以分別用指令輸入的第二第三第四個針腳連接寄存器，加法器和位移器的激活針腳。

這樣我們輸入0100這個指令的時候，寄存器輸入被激活，其他模塊都是0沒有激活，數(shù)據(jù)就存入寄存器了。同理，如果我們輸入0001這個指令，則加法器開始工作，我們就可以執(zhí)行相加這個操作了。這里就可以簡單回答這個問題的第一個小問題了：

那cpu 是為什么能看懂這些二級制的數(shù)呢?

為什么CPU能看懂，因為CPU里面的線就是這么接的。你輸入一個二進制數(shù)，就像開關(guān)一樣激活CPU里面若干個指定的模塊以及改變這些模塊的連同方式，最終得出結(jié)果。

審核編輯：湯梓紅