🌲计算机发展史

计算的需求在⼈类的历史中是⼴泛存在的，发展⼤体经历了从⼀般计算⼯具到机械计算机到⽬前的电
⼦计算机的发展历程。
⼈类对计算的需求，驱动我们不断的发明、改善计算机。⽬前这个时代是“电⼦计算机”的时代，发
展的潮流是：更快速、更稳定、更微型。计算机的以后将如何发展，期待⼤家的努⼒。

🌲冯诺依曼体系（Von Neumann Architecture）

现代的计算机, ⼤多遵守 冯诺依曼体系结构

• CPU 中央处理器: 进⾏算术运算和逻辑判断.
• 存储器: 分为外存和内存, ⽤于存储数据(使⽤⼆进制⽅式存储)
• 输⼊设备: ⽤⼾给计算机发号施令的设备.
• 输出设备: 计算机个⽤⼾汇报结果的设备.

针对存储空间

• 硬盘 > 内存 >> CPU

针对数据访问速度

• CPU >> 内存 > 硬盘

认识计算机的祖师爷 – 冯诺依曼

冯·诺依曼（John von Neumann，1903年12⽉28⽇-1957年2⽉8⽇）, 美籍匈⽛利数学家、计算机
科学家、物理学家，是20世纪最重要的数学家之⼀。冯·诺依曼是布达佩斯⼤学数学博⼠，在现代计
算机、博弈论、核武器和⽣化武器等领域内的科学全才之⼀，被后⼈称为“现代计算机之 ⽗”、“博弈论之⽗”.

🌲CPU 基本⼯作流程

接下来，我们⽤⼀个从⽆到有的过程，⼀步步搭建⼀个 CPU 出来，希望⼤家可以借助这个过程，理解
CPU、内存等计算机主要部件的⼯作原理。

🍓逻辑⻔

电⼦开关⸺机械继电器(Mechanical Relay)

通过电⼦开关，我们可以实现 1 位(bit) 的看似⽆⽤的逻辑运算，但⾄少它⼯作起来了，不是么。怎么
使⽤电⼦开关组合出真正有⽤的逻辑组件，我们接来下会做进⼀步的学习了解。
以后的真空管、晶体管的实质也是完成类似的⼯作，只是物理原理更加复杂，我们就不带着⼤家做深
⼊解读了。

🍓⻔电路(Gate Circuit)

接下来，我们学习如何使⽤电⼦开关构建⼀些有⽤的部件⸺⻔电路。可以实现 1 位(bit) 的基本逻辑
运算。

🍓算术逻辑单元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）

ALU 是计算机中进⾏算数、逻辑运算的核⼼部件，是计算机的数学⼤脑。接下来，我们⽤上⼀节构建
的逻辑⻔来完成⾃⼰的⼀个 ALU，去学习理解它的⼯作模式，以便作为我们进⼀步理解现代计算机⼯
作原理的基⽯。

进制的理解

🍓算术单元(Arithmetic Unit)

算数单元，负责计算机⾥的所有数字操作，⽐如四则运算，当然它能做的远远不⽌这些。接下来我们
会带着⼤家实现⼀个 8 位（bits）的加法器（adder）来，以演⽰整个过程，其他的运算器就不再详细
讲解了。



⾄此，⼀个 8 位（bits) 加法器就被我们从⽆到有制作了出来。算术单元⽀持的操作当然远不⽌这些，
通过继续组合逻辑⻔，算数单元可以做到加减乘除甚⾄更多的算术运算，但⼀个加法器作为演⽰已经
⾜够了。实际上，乘法器和除法器的制作难度是要⾼于加、减法器的，有兴趣的同学可以尝试做更多
的了解。

🍓逻辑单元(Logic Unit)

逻辑单元主要⽤来进⾏逻辑操作，最基本的操作就是 与、或、⾮操作，但不只是⼀位(bit)数的⽐较。

🍓ALU 符号

经过我们的努⼒，通过基本的逻辑⻔电路，我们⼀步步地做出了⼀个 8 位(bits) ALU，甚⾄⽐ Intel
74181 还要强⼤，Intel 74181 只是⼀个 4 位(bits) ALU（😀)。当然现代的计算机中的 ALU 部件⾮常强
⼤，复杂度远远超过了我们的想象，32 位 甚⾄ 64 位基本已经普及全球了。但⽆论如何，再复杂的
ALU 也是芯⽚⼯程师像我们这样，⼀层⼜⼀层，⼀步⼜⼀步地将其抽象出来的。ALU 是第⼀次将⼈类
历史上的数学和逻辑学学科有机地结合起来，可以视为⼈类智慧发展的现代巅峰。

🍓寄存器(Register) 和内存(RAM)

光有 ALU 还是远远不够的，我们⽆法为 ALU 提供存储的部件，所以接来下，我们利⽤⻔电路简单说明
下存储的制作。注意，虽然图中没有明显的表⽰出来，但这些存储都是要求必须保持通电状态的，也
就是这些存储都是易失的（volatile）

中间我们隐藏了⼀些实现细节，最后的效果就是：使能线置位时，输⼊为 1，保存 1；输⼊为 0，保存
0。使能线不置位时，则写⼊⽆效。

我们可以利⽤⻔锁，构建我们需要的寄存器和内存。

内存的构建要⽐这个复杂⼀点，但基本原理⼀致。如此构建的内存被称为 RAM(Random Access
Memory)，可以⽀持 O(1) 时间复杂度访问任意位置的数据，这也就是我们数组下标访问操作是 O(1)
的硬件⽀持。

期间，为了我们学习的聚焦性，我们隐藏了⼤量的实现细节，对于这部分知识感兴趣的同学可以在课
后做深⼊的学习。

🍓控制单元 CU(Control Unit)

我们现在有 ALU、存储了，但这还是不⾜以让我们的计算机⼯作起来，我们需要有⼀个部件来指挥
ALU 进⾏何种的运算，⽽这个部件就是控制单元(CU)。

关于 CU 如何由⻔电路从⽆到有搭建，我们就进⾏抽象了，我们只需要理解 CU 可以驱动 ALU 进⾏具体
的计算⼯作即可，⾄于 ALU 是如何驱动 ALU 进⾏⼯作的，我们在下⼀节进⾏详细的论述。

🍓指令（Instruction）

⾸先，我们先介绍下我们需要到的指令(instruction)
所谓指令，即指导 CPU 进⾏⼯作的命令，主要有操作码 + 被操作数组成。
其中操作码⽤来表⽰要做什么动作，被操作数是本条指令要操作的数据，可能是内存地址，也可能是
寄存器编号等。
指令本⾝也是⼀个数字，⽤⼆进制形式保存在内存的某个区域中。

🍇CPU 的基本⼯作流程

接下来，我们演⽰指令运⾏的⼀个周期，希望同学们可以学习到其流程，并完成剩余指令的运⾏过
程。





第⼀条指令的运⾏，其实没有⽤到我们之前制作的 ALU 部件，但这只是其中⼀些指令⽽已，⼤家尝试
把剩余的 3 条指令⾃⾏运⾏⼀次，观察并理解这个过程。

我们来总结下执⾏周期经过哪些阶段：

当然，电⼦计算机中的 CPU 可不像我们刚才那样，靠⾃⼰来驱动这个周期的运转，⽽是靠背后⼀个时
钟来进⾏周期驱动的。

知乎问题: 时钟频率是什么概念

最后，ALU + CU + 寄存器 + 时钟就组成了我们平时经常看到的⼀个词汇：中央处理器（Center
Process Unit）简称 CPU。

🌲⼩结

通过上述的章节，我带领⼤家从基本的电⼦开关开始，⼀步步的搭建了⼀个CPU和内存出来，虽然
中间还是对很多过程和细节做了隐藏和抽象，但主要流程已经体现了出来，希望这节学习完成之后，
同学们不在对CPU充满了神秘感。

然后我们把这⼀节中⼀些要点给⼤家做⼀个⽂字总结：

1. CPU 中的 PC 寄存器，是决定 CPU 要执⾏哪条指令的关键；
2. 指令是由 动作 + 操作对象组成
3. CPU 眼中只有指令，没有其他的概念