计算机中的大多数东西都相对简单易懂：RAM、存储器、外围设备和软件一起工作使计算机发挥作用。但是你的系统的核心，CPU，甚至对许多技术人员来说都是魔法。在这里，我们会尽最大努力来打破它。

本文的大部分研究来源于“但是它是怎么知道的呢？“作者J.克拉克·斯科特。这是一本非常棒的书，比这篇文章要深入得多，而且非常值得在亚马逊上花上几美元。

在我们开始之前，请注意：现代CPU比我们在这里概述的要复杂几个数量级。一个人几乎不可能理解一个拥有超过十亿个晶体管的芯片的每一个细微差别。然而，关于如何将所有系统结合在一起的基本原则仍然是一样的，理解基本原理将使您更好地理解现代系统。

从小处着手

计算机以二进制操作。他们只了解两种状态：开和关。为了进行二进制计算，他们使用所谓的晶体管。如果栅极上有电流，晶体管只允许源电流通过它流向漏极。本质上，这形成了一个二进制开关，它根据第二个输入信号切断电线。

相关：什么是二进制，为什么计算机使用它？

现代计算机使用数十亿个晶体管来进行计算，但在最低水平上，你只需要一小部分就可以形成最基本的元件，即所谓的门。

逻辑门

适当地堆叠几个晶体管，就有了所谓的逻辑门。逻辑门接收两个二进制输入，对它们执行操作，并返回输出。例如，如果任一输入为真，则或门返回真。与门检查两个输入是否为真，异或检查是否只有一个输入为真，N个变量（NOR、NAND和XNOR）是它们的基门的反转版本。

和盖茨一起做数学

只需两个门，就可以进行基本的二进制加法。上图显示了一个使用logicaly创建的半加法器，它是逻辑门的免费在线游乐场。如果只有一个输入开启，而不是两个都开启，这里的异或门就会开启。如果两个输入都打开，与门将打开，但如果没有输入，与门将关闭。因此，如果两个都打开，XOR保持关闭，and门打开，得到正确答案2：

这给了我们一个简单的设置，有三个不同的输出：0、1和2。但是一个比特不能存储任何高于1的东西，而且这台机器也没有太大用处，因为它只解决一个最简单的数学问题。但这只是一个半加法器，如果你把其中两个和另一个输入连接起来，你就得到了一个全加法器：

全加器有三个输入，两个数字相加，还有一个“进位”。当最后的数字超过一个位所能存储的数字时，就使用进位。全加器将链接在一个链中，进位从一个加法器传递到下一个加法器。进位被加到前半加法器中的XOR门的结果中，当需要打开so时，有一个额外的OR门来处理这两种情况。

当两个输入都打开时，进位打开，并将其发送到链中的下一个全加器：

这和加法一样复杂。向上移动到更多的位本质上只意味着在更长的链中有更多的全加器。

大多数其他数学运算都可以用加法来完成；乘法只是重复加法，减法可以用一些奇特的位反转来完成，除法只是重复减法。虽然所有现代计算机都有基于硬件的解决方案来加速更复杂的运算，但从技术上讲，你可以用全加器来完成这一切。

巴士，还有记忆

现在，我们的电脑只不过是一个糟糕的计算器。这是因为它什么都记不住，对输出也不做。上面显示的是一个存储单元，它可以完成所有这些。在引擎盖下，它使用了大量的与非门，在现实生活中根据存储技术可能会有很大的不同，但其功能是相同的。你给它一些输入，打开“写”位，它将把输入存储在单元中。这不仅仅是一个存储单元，因为我们还需要一种从中读取信息的方法。这是通过启用码来实现的，启用码是内存中每个位的与门的集合，所有与门都与另一个输入“read”位相关联。写入位和读取位通常也称为“设置”和“启用”。

整个包裹被包装在所谓的寄存器中。这些寄存器连接到总线，总线是一束绕着整个系统运行的电线，连接到每个组件。即使是现代计算机也有一条总线，尽管它们可能有多条总线来提高多任务处理性能。

每个寄存器仍然有一个写和读位，但在这个设置中，输入和输出是相同的。这其实很好。例如。如果您想将R1的内容复制到R2中，您将打开R1的读取位，这将把R1的内容推送到总线上。当read位打开时，您将打开R2的write位，这将把总线内容复制到R2中。

寄存器也用来生成RAM。闸板通常布置在网格中，电线有两个方向：

解码器接收二进制输入并打开相应的编号导线。例如，“11”在二进制中是3，是最高的2位数字，因此解码器将打开最高的线。在每个十字路口，都有一个登记簿。所有这些都连接到中央总线和中央读写输入。只有当穿过寄存器的两条导线同时接通时，读和写输入才会接通，有效地允许您选择要从中写入和读取的寄存器。同样，现代RAM要复杂得多，但这种设置仍然有效。

时钟、步进器和解码器

寄存器无处不在，是移动数据和在CPU中存储信息的基本工具。那么是什么让他们移动东西呢？

时钟是CPU核心中的第一个组件，它将以设定的间隔（以赫兹或每秒周期为单位）关闭和打开。这就是你在CPU旁边看到的速度；一个5GHz的芯片每秒可以执行50亿个周期。时钟速度通常是衡量CPU速度的一个很好的指标。

时钟有三种不同的状态：基准时钟、启用时钟和设置时钟。基准时钟将开启半个周期，关闭另一半。启用时钟用于打开寄存器，需要打开更长时间才能确保数据已启用。设置时钟总是需要与启用时钟同时开启，否则可能会写入不正确的数据。

时钟与步进器相连，步进器将从1数到最大步进，完成后将自身重置为1。时钟还连接到CPU可以写入的每个寄存器的与门：

这些与门还连接到另一个组件的输出，即指令解码器。指令解码器接收一条类似“将R2设置为R1”的指令，并将其解码为CPU可以理解的内容。它有自己的内部寄存器，称为“指令寄存器”，即存储当前操作的位置。它究竟是如何做到这一点的，取决于你正在运行的系统，但一旦它被解码，它将打开正确的设置，并为正确的寄存器启用位，它将根据时钟触发。

程序指令存储在RAM中（在现代系统上是一级缓存，离CPU更近）。因为程序数据存储在寄存器中，就像其他变量一样，它可以在运行时**纵，在程序中跳跃。这就是程序通过循环和if语句获得结构的方式。跳转指令将指令解码器从存储器中读取的当前位置设置到不同的位置。

这一切是如何结合在一起的

现在，我们对CPU工作原理的过度简化已经完成了。主总线横跨整个系统并连接到所有寄存器。全加器，连同一堆其他的运算，被封装到算术逻辑单元，或ALU中。这个ALU将连接到总线，并且还将有自己的寄存器来存储它所操作的第二个数字。

为了执行计算，程序数据从系统RAM加载到控制部分。控制部分从RAM中读取两个数字，将第一个数字加载到ALU的指令寄存器中，然后将第二个数字加载到总线上。同时，它向ALU发送一个指令代码，告诉它该做什么。然后ALU执行所有的计算，并将结果存储在不同的寄存器中，CPU可以从中读取，然后继续处理。

图片来源：罗斯特9/Shutterstock