CPU的工作原理1——為什么芯片只能識別二進制

我們可能都聽說過這樣的話：“CPU是計算機的大腦，所有運算都在這里完成”，“CPU是由數(shù)十億個晶體管組成的”，“CPU只能識別二進制，類似于1001101100這樣的數(shù)據(jù)”，“所有的編程語言最終都會被轉(zhuǎn)換為二進制進行處理，因為CPU只識別二進制”……。時間久了，我們會把這些話當(dāng)做約定俗成的公理來看待，很少思考這是為什么。

我有著20年編程經(jīng)驗，雖然日常工作中使用編程解決各類問題在我看來都是信手拈來，但有幾個問題一直困擾我，CPU為什么能識別二進制？它的工作原理是什么？數(shù)十億個晶體管起到什么作用？這些問題不明白雖然不會影響我的生活、工作，但會讓我無法全面認知計算機運行的原理，總感覺缺少點什么，接下來我就帶著大家一起看看CPU是如何工作的。

先來看CPU的構(gòu)成，其實不只是CPU，也包括GPU、NPU……等等所有的芯片都是一樣的，他們都是由很多個“開關(guān)”組成的，對，就是開關(guān)，你沒看錯！

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就好像家里的水龍頭，打開，水流出來，關(guān)上，水沒了。當(dāng)然芯片里不是真的有水龍頭，只是個比喻。早期的計算機使用的是繼電器開關(guān)，在一些工業(yè)電氣設(shè)備中還能看到這種器件。
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典型的外觀就是一大卷銅線，旁邊有幾個彈簧片，彈簧片上有金屬觸點，當(dāng)銅線圈通電時會產(chǎn)生磁場，吸引彈簧片產(chǎn)生位移，從而使金屬觸點連接或斷開，本質(zhì)上說就是一個開關(guān)，只不過它控制的是電流，而不是水流。

后來人們發(fā)現(xiàn)這種繼電器開關(guān)故障率太高，哪怕是一只蟲子爬進去，也可能造成開關(guān)短路，軟件編程中的“bug”一詞就來源于此。所以人們又研究出了電子管開關(guān)，這種開關(guān)摒棄了機械運動部件，故障率大大降低。

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現(xiàn)在逛一些舊家電市場，可能還會看到使用老式電子管的收音機。但電子管由于體積大，功耗高，后來基本被晶體管替代了，除了一些專業(yè)領(lǐng)域，比如音響功放，因為電子管制成的功率放大器可以保證高品質(zhì)的原聲，所以音響發(fā)燒友，都會以擁有一臺優(yōu)質(zhì)的電子管功率放大器為榮。

最后我們看看晶體管，它也是一個電流開關(guān)，相較于電子管，它可以做得非常小，功耗非常低，所以現(xiàn)在的芯片都是基于晶體管開關(guān)的。

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當(dāng)然這張圖片是普通的晶體管，并不是芯片中微型晶體管的樣子，晶體管可以比較大，在一些家用電器的電路板上經(jīng)常能看到這樣的東西，外觀樣式很豐富。同時也可以做的非常小，在一個指甲蓋大小的區(qū)域里能集成上百億個晶體管。

我們說過晶體管就是一個開關(guān)，類似于水龍頭，水龍頭控制的是水流，之所以打開開關(guān)，有水流出，是因為有水壓的存在。

同樣晶體管開關(guān)控制的是電流，之所以打開開關(guān)，有電流通過，是因為有電壓的存在。我們用這個符號來表示一個晶體管開關(guān)。

上面是控制端，相當(dāng)于水龍頭的開關(guān)，當(dāng)控制端施加一個高電位（可以簡單理解為有電），輸入端和輸出端之間的通道打開，電流由輸入端流向輸出端。如果控制端是低電位（相當(dāng)于沒電），通道關(guān)閉，輸出端沒有電流流出。為了描述方便，我們使用0代表沒電，1代表有電，一個晶體管開關(guān)會形成下面二種狀態(tài)：

也就是控制端有電（1），輸出端就有電（1），控制端沒電（0），輸出端沒電（0）。所以一個晶體管開關(guān)只能有二種狀態(tài)，要么是1要么是0，而1和0就是二進制，這也就是CPU只能識別二進制的道理。

本節(jié)我們介紹了芯片為什么只能識別二進制，下節(jié)開始我們會介紹由多個晶體管開關(guān)組合形成的基本門電路，若干門電路組合又能形成更復(fù)雜的存儲電路、運算電路，然后是半加器、全加器……直到形成整個CPU！