一文看懂计算机的整体原理

cslehe

#111723#我和小宇早恋了，咱们家住隔邻。

一、编码与电路——信号的转换
晚上怙恃会把手机充公，但咱们还想持续谈天，又不敢收回声响，因而咱们想到了这个措施...

咱们把全部的中文都用灯胆的亮灭组合来表现，同时商定好每隔一秒读取一次灯胆的状况并记载上去，这是咱们的灯号。
我：亮亮灭灭亮
喜：灭亮亮灭灭
欢：亮灭亮灭亮
你：亮亮亮灭灭
如许，咱们固然没有了手机，仍然能够日以继日地谈天，固然效力很低，但仍然很快活。
我和小宇就如许在不经意间，将言语转换成为了灯胆的亮灭组合，这个进程叫做编码。
二、门电路——信号的关系
我和小宇就如许始终机密坚持着通话，直到上了大学，怙恃再也管不了咱们用手机了。
但这么多年的小灯胆通话，使咱们总感到事件没那末简略，因而咱们开端了一些新的摸索。

咱们增添了一个开关。此时当两个开关同时闭适时，灯胆才会亮。
如许两个开关与灯胆之间，不再是之前简略的对应关联了，而是有了逻辑。
开关的断开与闭合分辨对应着电路的断开与连通。而小灯胆的不亮与亮，也分辨对应着电路的断开与连通。那这二者便可以同一，不再依附于详细的什物表示了。

另有，开关的连通与断开，是自动的。而小灯胆的连通与断开，是主动的，是成果。
咱们把开关这里的连通与断开称为输入端，把灯胆的连通与断开称为输出端，而且将全部电路都封装在一个图形里，能够失掉以下形象：

咱们决议把这类电路叫做门电路， 下面这个叫与门。
为了以后更加形象的摸索，咱们将电路连通表现为数字 1，电路断开表现为数字 0。
咱们将这类表现方法称为二进制。

输入 A输入 B输出000010100111<p>

渐渐地，咱们发明了越来越多的弄法。

下面这类电路，我把他形象成以下门电路外形，叫做或门。

以后便一发弗成整理，我和小宇计划了越来越多的门电路，咱们发明，只有是咱们能想到的逻辑关联，都能够计划成对应的门电路。

三、加法器——信号的盘算
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勇敢的主意，能不能计划一个盘算加法的电路呢？
咱们起首从最简略的一名二进制数相加开端：
0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=10
酿成一张表格以下

加数 A加数 B加和输出进位输出0000011010101101<p>
即咱们须要计划出一种电路，能够到达表中的输入与输出后果。
经由不懈尽力，终究发明这个电路能够由异或门和与门两个门电路构成。

这个安装实现了二进制的一名加法，但它并不完善，由于只斟酌了这两个数的进位输出，但没有斟酌上一名的进位，以是只能叫半加器。

假如将前一个进位斟酌出去，只要再多一个半加器，而且拼接一个或门便可。

此时咱们曾经树立好了一个完善的一名加法器，并骄傲地称之为全加器。

全加器做出来以后，不管几多位的加法器就都能够做出来了，只要将全加器逐一拼起来便可。咱们实验做一个八位加法器。

OK，大功乐成，有了加法器，实践上便可以实现任何的数学运算了。
由于咱们晓得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。当初咱们能够骄傲地称这个部件为，算术逻辑单位 ALU。

四、时钟——信号的震动
我和小宇都十分愉快，终究用电路的方法实现了盘算功效。
但渐渐的感到没甚么意思了，因而咱们又突发奇想，计划了以下诡异的电路。

当闭合开关 A 时，全部电路联通，开关 B 将会被吸上去，全部电路断开，电磁铁得到磁性，开关 B 又会弹上去，此时电路又联通，开关 B 又被吸上去。
就如许，开关 B 一直地疾速地在开和闭之间轮回停止，而咱们一直没有去干涉这个电路，因而该电路有了自反应的特征。
因为开关 B 的往返震动，咱们将这类电路称为振荡器，因为它能够发生一直变更的电信号，就像时钟一样不绝且法则地跑着，咱们将这个安装又称为时钟。它所发生的瓜代的电信号称为时钟信号。
五、RAM——保留信号
固然有了加法器，然而输入的数字从那里来？能不能先保留在某个处所呢？
我和小宇经由屡次试验，发现了一个十分庞杂的电路：

假如输入端为 1，转变"某把持端"信号（信号由 0 变更到 1 这个霎时），则输出端变成 1，以后输出端依然坚持（存储）着刚刚的 1。 假如输入端为 0，转变"某把持端"信号，则输出端变成 0，以后输出端依然坚持（存储）着刚刚的 0。
假如想不清楚也没关联，只有记着这个电路的计划，实现了一名的存储功效！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 抉择器等电路，便可以实现一个能保留 8 位二进制的存储器，而且能够随机地读写它， 咱们把它叫做RAM，简称为内存。

这个组件通过再次组合，能够构成 N × M 的 RAM 阵列。比方咱们能够表现一个 1024 * 8 的 RAM 阵列。

这表现存储容量为 1024 个单元，每个单元占 8 位。
为了更便利地表现，咱们划定 1024 = 1K，8 位 = 1 字节（8 bit = 1 byte），那末咱们便可以说，这个 RAM 的存储容量为 1K 个单元，每个单元占 1B。或许说，地点空间为 1K，存储容量是 1KB。
此时这个 RAM 模块曾经近乎完善了，咱们乃至能够独自对其停止应用，将数据存入某个地点，将某个地点中的数据读出。
怎样便利人操纵呢？只要要将地点输入、数据输入、写操纵端分辨接入一个把持面板，由开关来把持这些信号的输入是 1 仍是 0 便可，而后再将数据输出接入一些灯胆便利视察，如许一个独自的能够手动操纵的存储安装，就搞定啦。（下图中有彩蛋~）

有了可读写的内存，咱们便可以事前把几个数字存储内存中了，接上去，咱们是否让算术逻辑单位 ALU主动地读取这个数字，停止加法运算呢？
六、顺序——主动化
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份讲的时钟信号，Clr 是清零端，详细后果上面动图一目了然。

计数器的输出就是 0，1，2，3，4，5，能够看成内存中的地点。
咱们把这个计数器，以及下面讲的 ALU 与 RAM 全体连在一同，实验实现一个能够积累乞降的安装。
咱们想盘算的是 1+2+3+4+5+6+7,  这个主动化的盘算器是这么运转的
1、用把持面板在 RAM 的地点 0~6 处存上 1~7 这几个数字的，在上一节曾经实现了。 2、当计数器的值是 0 时，数据 1 被输出到加法器停止盘算，此时加法器 A=1，B=0，盘算成果为 1，但记着锁存器存储的是上一次的加法器输出 0，此次的盘算成果要等下一次锁存器碰到回升沿信号。 3、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盘算成果 1，并将这个 1 输出给小灯胆，并同时回传到加法器的B，以是此时加法器 A=2，B=1，盘算成果为 3 4、当计数器的值是 3 时，以此类推，请看下图

咱们将累加乞降这个进程主动化了！以后假如想盘算累加和，只要要用把持面板事前在内存里存好数据便可以了！是不是很便利？
七、顺序指令
咱们还想要更多的主动化！
当初这个安装，只能无脑地将 RAM 中的数据重新到尾始终累加下去，没法抉择加哪个不加哪个，也没法抉择甚么时间结束。
比方咱们 RAM 中的数据是如许的。

地点（16 进制）数据（10进制）0x00...0x01100x02...0x03200x04300x05.........<p>
咱们只想让 RAM 蓝色地点处的数据停止累加，其余处所的数据疏忽，而且到 RAM 0x05 处就结束，该怎样做呢？
咱们能够再增添一个 RAM，这个 RAM 里寄存的数据，表现"指令"的含意！
咱们先发现三种指令。
add：把 RAM 这个地位处的值停止累加nop：疏忽此处的值（也就是甚么都不做）halt：结束（制止计数器的值加一）
那末要想到达上述功效，响应的这个指令 RAM 中的数据应当是如许的。
留神：上面指令 RAM 的地点和下面数据 RAM 的地点之间有逐一对应关联！

地点（16 进制）指令RAM的值指令含意0x00nop甚么都不做0x01add累加0x02nop甚么都不做0x03add累加0x04add累加0x05halt结束.........<p>
咱们须要引入一个把持单位，放在以下地位。

碰到 nop 指令(0x00)，那输出就将锁存器的 W 位制止，不容许锁存器写操纵，如许累加成果就不会录入。
再比方碰到输入为 halt 指令(0x05)，就将计数器的 EN 位制止，不容许计数器 +1，如许就到达了结束的后果。
此时再让时钟信号震动起来，便可以到达有抉择地乞降进程，而且在指定地位悬停。那当初咱们就让时钟信号震撼起来，看看这个进程吧。（此处只留要害组件）

这个把持单位该怎样实现呢？咱们晓得，只有给出输入，给出输出，任何组件都能够造出来。本文就不再开展了。
有了三个指令，咱们晓得了通过指令这类方法，共同种种庞杂的把持器，便可实现将全部操纵齐备主动化。
接上去咱们须要做的，就是计划把持器，以及商定好一大堆指令，使得通过这一大堆指令的陈列组合，能够实现任何主动化的盘算操纵。
咱们将计划好的一大堆指令
称作指令集
咱们将指令陈列组合后能够实现的功效
称作顺序
咱们将指令的陈列组合这个进程
称作编程
咱们将陈列组合这些指令的人
称作顺序员
而咱们将承载这所有的安装，叫做甚么呢？
没错，这个破玩意，就是盘算机。
原文题目：图解 | 你管这破玩意叫盘算机？
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