揭開計算機的神祕面紗

寫在前面的話：從接觸電腦以來，就一直對電腦充滿好奇。當電腦連線上電源，按下開機鍵，我們就可以做所有我們想 做的事情，打遊戲、寫文章、看電影、搭建web伺服器、自己寫程式等等。隨著接觸電腦的時間越長，反而對電腦更加的陌生，不斷的問自己，計算機到底是怎麼 組成的？為什麼就能夠實現這些功能？如果讓我穿越回多少年前，該如何搭建一臺電腦？恰好這幾天讀完這本書《code：the hidden Language of computer hardware and software》，確實一本好書，許多的疑惑得以解開，這篇部落格就寫寫那些深深觸動我的點，我認為，理解了這些點，也就理解了整本書的內容，進而理解了 計算機是怎麼回事。

=====正文開始========

1.繼電器

看下面兩幅圖：

　　

（1）左圖中：一個鐵芯，纏上一些線圈，當沒有通電時，開關A是斷開的，Out端沒有電壓，我們認為輸出為0.

（2）右圖中：當線圈通電後，鐵芯被磁化，相當於變成了一塊磁鐵，進而可以吸引上面的開關A，Out端有電壓，我們認為輸出為1.

上面這麼一個小小的簡單的東西，就是繼電器，它的意義非凡，因為我們可以人為的去控制：輸出0和1了。

雖然在計算機中，繼電器逐漸被真空管、電晶體取代，但是他們要實現的作用是一致的：輸出0和1。

2.二進位制

我們生活中採用十進位制，可是計算機內的計算採用二進位制，我認為這是非常重要的改變。請看下面的邏輯：

（1）二進位制只有0和1，進而也導致二進位制的加減乘除的結果只有0和1，二進位制的與或非的結果也只有0和1

（2）進而可以將二進位制的加減乘除與二進位制的與或非進行等價

（3）而繼電器可以輸出0和1，因此可以通過繼電器的各種”變著花樣的組合“實現各種與或非

（4）因此可以通過繼電器的各種”變著花樣的組合“實現二進位制的加減乘除運算。

理解了上面的邏輯，接下來要做的僅僅是實現所需功能而已。如何實現功能，也只是時間而已，下面貼一些圖，展示一下如何通過繼電器實現複雜的邏輯 結構，作為一個實現思路的引子，而實現各種自己想要的邏輯，經過幾個夜晚的苦思冥想，是可以想出來的，如果不想自己去想，那麼可以看看Code一書，算作 一個捷徑。

繼電器實現邏輯與

繼電器實現邏輯或

繼電器實現半加器

繼電器實現全加器

不要被上面的圖嚇到，他們僅僅是繼電器的變著花樣的組合而已，如果我們沉下心來，也可以實現這樣的組合，甚至可以實現更多我們所需要的，比如8位加法器、減法器、乘法器、除法器等等。

於是我們已經能夠實現了計算機中CPU的一個重要功能：邏輯運算。

然而上面的操作，例如輸入，都需要我們人為的去操作，我們可以去想象一下：一個人坐在那裡，撥著開關，進行著操作，是多麼的枯燥。如果實現自動執行，也就是說無需人為的操作，實現0、1的輸出，是多麼好的一件事清，我們確實也可以做到，接著往下看。

3.另外一種連線方式的繼電器：反饋

看下面兩幅圖：

左圖中，繼電器沒有通電的時候，繼電器上面的開關B是閉合的；右圖中，一旦給繼電器通電（也就是開關A閉合），奇妙的事情就發生了：

（1）繼電器通電，會吸引上面的開關B，進而使電路斷開。

（2）電路一旦斷開，開關B又恢復原位，使電路接通。（注意開關A一直是閉合的）

（3）上面兩個過程自動重複進行下去了。

上面實現了這樣的一種可能：繼電器的輸出可以在0和1之間自動完成，而能夠自動完成的根本原因，在於下面兩點：

（1）繼電器在斷電的情況下，開關B是閉合的（常閉型繼電器），而前面的講到的繼電器在斷電的情況下，開關B都是斷開的（常開型繼電器），這是一點不同。

（2）繼電器的輸入和輸出沒有分開，而是組成了一個迴路，確切的說：是有反饋了。

經過上面兩點小小的改變，我們可以利用這種思想，實現一系列其他所需的功能：

（1）我們可以實現RS觸發器　　　　　　　　　　　　　　（2）我們可以實現D觸發器：實現對1位資料的儲存。

　　　　　　　　　　　　　

其中D觸發器可以稱為1位鎖存器；通過對D觸發器的各種變著花樣的組合，我們可以實現邊沿電源觸發的觸發器，進而實現多位鎖存器；

通過將邊沿觸發的D觸發器的輸出反饋至輸入，我們又可以實現分頻器，進而實現計數器，同時計數器可以作為各個部分的時鐘觸發訊號。

如果忽略上面的細節，我們知道我們已經可以實現鎖存器、計數器、時鐘訊號。

於是鎖存器構成了CPU中的暫存器和電腦中的記憶體RAM以及顯示卡的視訊記憶體RAM；

計數器和時鐘訊號構成了計算機中的時鐘驅動訊號。

4.匯流排

上面我們可以說已經實現了CPU和RAM（記憶體、顯 存），一旦將CPU與RAM連線，在能夠自動執行的時鐘訊號的驅動下，CPU和RAM就能夠協同工作實現所需的功能。CPU與RAM連線後，既可以實現 RAM的輸出給CPU進行運算，又可以實現CPU的輸出給RAM進行儲存。

這些的輸入輸出都是通過實實在在的導線連線的。為了不至於使導線密密麻麻的難以辨識，我們可以對各個電路部件進行”各種變著花樣的組合“，並把線路梳理清楚，總結為三種線路：資料匯流排、控制匯流排、地址匯流排。

（1）資料匯流排：上面傳輸的是資料，如果能夠傳輸8位，那麼就說資料位寬為8位。當然這裡8位也是與前面提到的鎖存器的位數是對應的；也可以說是與CPU中的暫存器的位數是對應的，其實都一回事。

（2）地址匯流排：地址匯流排也一根根的實際的導線，通過這些導線，就可以能夠方便的選取RAM中的特定的鎖存器；地址匯流排的數目決定了能夠定址的最大RAM。

（3）控制匯流排：傳送控制訊號，實現特定的控制功能，比如確定是讀RAM中的資料，還是往RAM中寫入資料。

還是要說上一句：這些線都是實實在在的導線。

5.機器語言

匯流排上面傳輸著0和1訊號，通過0和1訊號的各種變換，表示著傳送不同的資訊；RAM具有儲存的功能，因此我們可以把一下0和1的資訊儲存進RAM，進而就可以讓CPU去執行該命令了，這些命令就可以稱為機器語言。

機器語言的0和1我們可以通過開關等多種方式寫入RAM中，畢竟RAM是可以儲存資訊的；如果每次都寫01太繁瑣和不方便，於是將這些01的代 碼用特定的符號表示，出現了組合語言，組合語言變成01程式碼的機器語言，需要通過彙編程式來實現，而彙編程式將彙編源程式彙編成機器程式碼，其實就是去查一 下機器程式碼和彙編符號的對照表格而已。

隨著時間的發展，高階語言也相應出現了。

CPU本質上來說是由繼電器構成的，確切一點是電晶體構成，不同的公司的不同工程師造出來的cpu，相應的構成也會有一些差別，導致機器指令程式碼也就不同，於是出現了不同的指令集，如X86指令集，RISC指令集等等。

6.外部儲存介質

前面提到的RAM，本質上是由繼電器構成的，確切的說是由半導體構成，這都無所謂，他們都有一個共同的特 點：當斷電的瞬間，一切都沒有了，為什麼呢？因為電這個東西比較奇怪，說沒就沒了，如果想要長久的儲存資料，得需要其他的方式：例如通過磁性物質來儲存， 於是出現了磁帶、磁碟；通過光資訊來儲存i資訊，如光碟；以及其他的東西：如ROM、Flash等。

計算機的構成越來越複雜，以至於掩蓋我們內心最初的好奇與衝動。