圖解 - 從電路開始講計算機底層實現原理
低併發編程，週一很頹廢，週四很硬核
我和小宇早戀了，我們家住隔壁。
一、編碼與電路——信號的轉換
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，於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態並記錄下來，這是我們的暗號。
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，將語言轉換成爲了燈泡的亮滅組合，這個過程叫做編碼。
二、門電路——信號的關聯
我和小宇就這樣一直祕密保持着通話，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，於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，燈泡纔會亮。
這樣兩個開關與燈泡之間，不再是之前簡單的對應關係了，而是有了邏輯。
開關的斷開與閉合分別對應着電路的斷開與連通。而小燈泡的不亮與亮，也分別對應着電路的斷開與連通。那這兩者就可以統一，不再依賴於具體的實物表現了。
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。
我們把開關這裏的連通與斷開稱爲輸入端，把燈泡的連通與斷開稱爲輸出端，並且將整個電路都封裝在一個圖形裏，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。
爲了今後更爲抽象的探索，我們將電路連通表示爲數字 1，電路斷開表示爲數字 0。
我們將這種表示方式稱爲二進制。
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，只要是我們能想到的邏輯關係，都可以設計成對應的門電路。
三、加法器——信號的計算
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。
於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
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，終於發現這個電路可以由異或門和與門兩個門電路組成。
這個裝置實現了二進制的一位加法，但它並不完美，因爲只考慮了這兩個數的進位輸出，但沒有考慮上一位的進位，所以只能叫半加器。
如果將前一個進位考慮進來，只需再多一個半加器，並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，並自豪地稱之爲全加器。
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，只需將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，理論上就可以實現任何的數學運算了。
因爲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爲，算術邏輯單元 ALU。
四、時鐘——信號的震盪
我和小宇都非常高興，終於用電路的方式實現了計算功能。
但慢慢的覺得沒什麼意思了，於是我們又突發奇想，設計瞭如下詭異的電路。
當閉合開關 A 時，整個電路聯通，開關 B 將會被吸下來，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，因此該電路有了自反饋的特性。
由於開關 B 的來回震盪，我們將這種電路稱爲振盪器，由於它可以產生不斷變化的電信號，就像時鐘一樣不停且規律地跑着，我們將這個裝置又稱爲時鐘。它所產生的交替的電信號稱爲時鐘信號。
五、RAM——保存信號
雖然有了加法器，但是輸入的數字從哪裏來？能不能先保存在某個地方呢？
我和小宇經過多次實驗，發明了一個非常複雜的電路：
如果輸入端爲 1，改變 "某控制端" 信號（信號由 0 變化到 1 這個瞬間），則輸出端變爲 1，之後輸出端仍然保持（存儲）着剛剛的 1。
如果輸入端爲 0，改變 "某控制端" 信號，則輸出端變爲 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係，只要記住這個電路的設計，實現了一位的存儲功能！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，就可以實現一個能保存 8 位二進制的存儲器，並且可以隨機地讀寫它， 我們把它叫做 RAM，簡稱爲內存。
這個組件通過再次組合，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。
這表示存儲容量爲 1024 個單位，每個單位佔 8 位。
爲了更方便地表示，我們規定 1024 = 1K，8 位 = 1 字節（8 bit = 1 byte），那麼我們就可以說，這個 RAM 的存儲容量爲 1K 個單位，每個單位佔 1B。或者說，地址空間爲 1K，存儲容量是 1KB。
此時這個 RAM 模塊已經近乎完美了，我們甚至可以單獨對其進行使用，將數據存入某個地址，將某個地址中的數據讀出。
怎麼方便人操作呢？只需要將地址輸入、數據輸入、寫操作端分別接入一個控制面板，由開關來控制這些信號的輸入是 1 還是 0 即可，然後再將數據輸出接入一些燈泡方便觀察，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~）
有了可讀寫的內存，我們就可以事先把幾個數字存儲內存中了，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、程序——自動化
我們先引入一個新的組件，10 位計數器，這裏的 Clk 就接入我們在第四部分講的時鐘信號，Clr 是清零端，具體效果下面動圖一目瞭然。
計數器的輸出就是 0，1，2，3，4，5，可以當作內存中的地址。
我們把這個計數器，以及上面講的 ALU 與 RAM 全部連在一起，嘗試實現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, 這個自動化的計算器是這麼運行的
1、用控制面板在 RAM 的地址 0~6 處存上 1~7 這幾個數字的，在上一節已經實現了。
2、當計數器的值是 0 時，數據 1 被輸出到加法器進行計算，此時加法器 A=1，B=0，計算結果爲 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號。
3、當計數器的值是 1 時， 數據 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，並將這個 1 輸出給小燈泡，並同時回傳到加法器的 B，所以此時加法器 A=2，B=1，計算結果爲 3
4、當計數器的值是 3 時，以此類推，請看下圖
我們將累加求和這個過程自動化了！之後如果想計算累加和，只需要用控制面板事先在內存裏存好數據就可以了！是不是很方便？
七、程序指令
我們還想要更多的自動化！
現在這個裝置，只能無腦地將 RAM 中的數據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 中的數據是這樣的。
我們只想讓 RAM 藍色地址處的數據進行累加，其他地方的數據忽略，並且到 RAM 0x05 處就停止，該怎麼做呢？
我們可以再增加一個 RAM，這個 RAM 裏存放的數據，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 中的數據應該是這樣的。
注意：下面指令 RAM 的地址和上面數據 RAM 的地址之間有一一對應關係！
我們需要引入一個控制單元，放在如下位置。
遇到 nop 指令 (0x00)，那輸出就將鎖存器的 W 位禁止，不允許鎖存器寫操作，這樣累加結果就不會錄入。
再比如遇到輸入爲 halt 指令 (0x05)，就將計數器的 EN 位禁止，不允許計數器 +1，這樣就達到了停止的效果。
此時再讓時鐘信號震盪起來，就可以達到有選擇地求和過程，並且在指定位置懸停。那現在我們就讓時鐘信號震動起來，看看這個過程吧。（此處只留關鍵組件）
這個控制單元該怎麼實現呢？我們知道，只要給出輸入，給出輸出，任何組件都可以造出來。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，即可實現將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，可以實現任何自動化的計算操作。
我們將設計好的一大堆指令
稱作指令集
我們將指令排列組合後可以實現的功能
稱作程序
我們將指令的排列組合這個過程
稱作編程
我們將排列組合這些指令的人
稱作程序員
而我們將承載這一切的裝置，叫做什麼呢？
沒錯，這個破玩意，就是
計
算
機
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