图解 | 你管这破玩意叫计算机？

我和小宇早恋了，咱们家住隔壁。

 

1、编码与电路——信号的转换

晚上父母会把手机没收，但咱们还想继续聊天，又不敢发出声音，因而咱们想到了这个办法...

 

咱们把全部的中文都用灯泡的亮灭组合来表示，同时约定好每隔一秒读取一次灯泡的状态并记录下来，这是咱们的暗号。

我：亮亮灭灭亮

喜：灭亮亮灭灭

欢：亮灭亮灭亮

你：亮亮亮灭灭

这样，咱们虽然没有了手机，依然能够日以继日地聊天，虽然效率很低，但依然很快乐。

我和小宇就这样在不经意间，将语言转换成为了灯泡的亮灭组合，这个过程叫作编码。

2、门电路——信号的关联

我和小宇就这样一直秘密保持着通话，直到上了大学，父母再也管不了咱们用手机了。

但这么多年的小灯泡通话，使咱们总以为事情没那么简单，因而咱们开始了一些新的探索。

 

咱们增长了一个开关。此时当两个开关同时闭合时，灯泡才会亮。

这样两个开关与灯泡之间，再也不是以前简单的对应关系了，而是有了逻辑。

开关的断开与闭合分别对应着电路的断开与连通。而小灯泡的不亮与亮，也分别对应着电路的断开与连通。那这二者就能够统一，再也不依赖于具体的实物表现了。

 

还有，开关的连通与断开，是主动的。而小灯泡的连通与断开，是被动的，是结果。

咱们把开关这里的连通与断开称为输入端，把灯泡的连通与断开称为输出端，而且将整个电路都封装在一个图形里，能够获得以下抽象：

 

咱们决定把这种电路叫作门电路， 上面这个叫与门。

为了从此更为抽象的探索，咱们将电路连通表示为数字 1，电路断开表示为数字 0。

咱们将这种表示方式称为二进制。

输入 A	输入 B	输出
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

 

慢慢地，咱们发现了愈来愈多的玩法。

 

上面这种电路，我把他抽象成以下门电路形状，叫作或门。

 

以后便一发不可收拾，我和小宇设计了愈来愈多的门电路，咱们发现，只要是咱们能想到的逻辑关系，均可以设计成对应的门电路。

 

3、加法器——信号的计算

十进制数能够转换成二进制数，而二进制数又能够对应到门电路的输入端与输出端。

因而我和小宇有了一个大胆的想法，能不能设计一个计算加法的电路呢？

咱们首先从最简单的一位二进制数相加开始：

0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=10

变成一张表格以下

加数 A	加数 B	加和输出	进位输出
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

 

即咱们须要设计出一种电路，能够达到表中的输入与输出效果。

通过不懈努力，终于发现这个电路能够由异或门和与门两个门电路组成。

 

这个装置实现了二进制的一位加法，但它并不完美，由于只考虑了这两个数的进位输出，但没有考虑上一位的进位，因此只能叫半加器。

 

若是将前一个进位考虑进来，只需再多一个半加器，而且拼接一个或门便可。

 

此时咱们已经创建好了一个完美的一位加法器，并自豪地称之为全加器。

 

全加器作出来以后，不管多少位的加法器就均可以作出来了，只需将全加器逐个拼起来便可。咱们尝试作一个八位加法器。

 

OK，大功告成，有了加法器，理论上就能够实现任何的数学运算了。

由于咱们知道乘法能够转换成加法，除法能够转换成减法，而减法又能够转换成补码的加法。如今咱们能够自豪地称这个部件为，算术逻辑单元 ALU。

 

4、时钟——信号的震荡

我和小宇都很是高兴，终于用电路的方式实现了计算功能。

但慢慢的以为没什么意思了，因而咱们又突发奇想，设计了以下诡异的电路。

 

当闭合开关 A 时，整个电路联通，开关 B 将会被吸下来，整个电路断开，电磁铁失去磁性，开关 B 又会弹上去，此时电路又联通，开关 B 又被吸下来。

就这样，开关 B 不断地快速地在开和闭之间循环进行，而咱们始终没有去干预这个电路，所以该电路有了自反馈的特性。

因为开关 B 的来回震荡，咱们将这种电路称为振荡器，因为它能够产生不断变化的电信号，就像时钟同样不停且规律地跑着，咱们将这个装置又称为时钟。它所产生的交替的电信号称为时钟信号。

5、RAM——保存信号

虽然有了加法器，可是输入的数字从哪里来？能不能先保存在某个地方呢？

我和小宇通过屡次实验，发明了一个很是复杂的电路：

 

若是输入端为 1，改变"某控制端"信号（信号由 0 变化到 1 这个瞬间），则输出端变为 1，以后输出端仍然保持（存储）着刚刚的 1。

若是输入端为 0，改变"某控制端"信号，则输出端变为 0，以后输出端仍然保持（存储）着刚刚的 0。

若是想不明白也不要紧，只要记住这个电路的设计，实现了一位的存储功能！咱们叫它 1 位锁存器。

 

而后咱们把多个锁存器组合起来，再加上一些 3-8 译码器，8-1 选择器等电路，就能够实现一个能保存 8 位二进制的存储器，而且能够随机地读写它， 咱们把它叫作 RAM，简称为内存。

 

这个组件经过再次组合，能够造成 N × M 的 RAM 阵列。好比咱们能够表示一个 1024 * 8 的 RAM 阵列。

 

这表示存储容量为 1024 个单位，每一个单位占 8 位。

为了更方便地表示，咱们规定 1024 = 1K，8 位 = 1 字节（8 bit = 1 byte），那么咱们就能够说，这个 RAM 的存储容量为 1K 个单位，每一个单位占 1B。或者说，地址空间为 1K，存储容量是 1KB。

此时这个 RAM 模块已经近乎完美了，咱们甚至能够单独对其进行使用，将数据存入某个地址，将某个地址中的数据读出。

怎么方便人操做呢？只须要将地址输入、数据输入、写操做端分别接入一个控制面板，由开关来控制这些信号的输入是 1 仍是 0 便可，而后再将数据输出接入一些灯泡方便观察，这样一个单独的能够手动操做的存储装置，就搞定啦。（下图中有彩蛋~）

 

有了可读写的内存，咱们就能够事先把几个数字存储内存中了，接下来，咱们可否让算术逻辑单元 ALU 自动地读取这个数字，进行加法运算呢？

6、程序——自动化

咱们先引入一个新的组件，10 位计数器，这里的 Clk 就接入咱们在第四部分讲的时钟信号，Clr 是清零端，具体效果下面动图一目了然。

 

计数器的输出就是 0，1，2，3，4，5，能够看成内存中的地址。

咱们把这个计数器，以及上面讲的 ALU 与 RAM 所有连在一块儿，尝试实现一个能够累积求和的装置。

咱们想计算的是 1+2+3+4+5+6+7, 这个自动化的计算器是这么运行的

一、用控制面板在 RAM 的地址 0~6 处存上 1~7 这几个数字的，在上一节已经实现了。

二、当计数器的值是 0 时，数据 1 被输出到加法器进行计算，此时加法器 A=1，B=0，计算结果为 1，但记住锁存器存储的是上一次的加法器输出 0，此次的计算结果要等下一次锁存器遇到上升沿信号。

三、当计数器的值是 1 时， 数据 2 被输入到加法器，此时锁存器存储了上一次的计算结果 1，并将这个 1 输出给小灯泡，并同时回传到加法器的B，因此此时加法器 A=2，B=1，计算结果为 3

四、当计数器的值是 3 时，以此类推，请看下图

 

咱们将累加求和这个过程自动化了！以后若是想计算累加和，只须要用控制面板事先在内存里存好数据就能够了！是否是很方便？

 

7、程序指令

咱们还想要更多的自动化！

如今这个装置，只能无脑地将 RAM 中的数据从头至尾一直累加下去，没法选择加哪一个不加哪一个，也没法选择何时中止。

好比咱们 RAM 中的数据是这样的。

地址（16 进制）	数据（10进制）
0x00	...
0x01	10
0x02	...
0x03	20
0x04	30
0x05	...
...	...

咱们只想让 RAM 蓝色地址处的数据进行累加，其余地方的数据忽略，而且到 RAM 0x05 处就中止，该怎么作呢？

咱们能够再增长一个 RAM，这个 RAM 里存放的数据，表示"指令"的含义！

咱们先发明三种指令。

add：把 RAM 这个位置处的值进行累加

nop：忽略此处的值（也就是什么都不作）

halt：中止（禁止计数器的值加一）

那么要想达到上述功能，相应的这个指令 RAM 中的数据应该是这样的。

注意：下面指令 RAM 的地址和上面数据 RAM 的地址之间有一一对应关系！

地址 （16 进制）	指令RAM的值	指令含义
0x00	nop	什么都不作
0x01	add	累加
0x02	nop	什么都不作
0x03	add	累加
0x04	add	累加
0x05	halt	中止
...	...	...

咱们须要引入一个控制单元，放在以下位置。

 

遇到 nop 指令(0x00)，那输出就将锁存器的 W 位禁止，不容许锁存器写操做，这样累加结果就不会录入。

再好比遇到输入为 halt 指令(0x05)，就将计数器的 EN 位禁止，不容许计数器 +1，这样就达到了中止的效果。

此时再让时钟信号震荡起来，就能够达到有选择地求和过程，而且在指定位置悬停。那如今咱们就让时钟信号震动起来，看看这个过程吧。（此处只留关键组件）

 

这个控制单元该怎么实现呢？咱们知道，只要给出输入，给出输出，任何组件均可以造出来。本文就再也不展开了。

有了三个指令，咱们知道了经过指令这种方式，配合各类复杂的控制器，便可实现将全部操做通通自动化。

接下来咱们须要作的，就是设计控制器，以及约定好一大堆指令，使得经过这一大堆指令的排列组合，能够实现任何自动化的计算操做。

 

咱们将设计好的一大堆指令

称做指令集

咱们将指令排列组合后能够实现的功能

称做程序

咱们将指令的排列组合这个过程

称做编程

咱们将排列组合这些指令的人

称做程序员

而咱们将承载这一切的装置，叫作什么呢？

没错，这个破玩意，就是

 

计算机

 

本文灵感来自一本计算机科普神做，《编码 | 隐匿在计算机软硬件背后的语言》，我在此向这本书致敬。我把核心思想提取出来，写成了低并发风格的文章，送给各位读者。若是你对计算机对总体原理十分困惑，但愿本篇文章可让你稍稍解惑。同时但愿你们找时间能够将本书通篇阅读，我保证你会颇有收获的。本文和本书的核心目的是让你理解计算机的思想，实际上如今的计算机指令与数据都是放在内存中的，文中其余地方也都是对计算机的简化模型，且不可出去真的和人家说计算机是个破玩意，尤为不准说这是低并发编程的闪客告诉你的哟~