程序是如何在计算机上被执行的？（下篇：cpu工作原理）

本文接上文程序是如何在计算机上被执行的？（上篇：软件部分），主要内容是机器语言如何在计算机硬件上运行，关于逻辑门，加法器，布尔运算，亦即，cpu的工作原理。

1、逻辑门

以下图片是《三体》中的一个情节：

这段故事提到一千万个这样的门部件，就是搭建计算机的基础元件，逻辑门。

那什么是与、或、非呢？

相信聪明的你高中物理有学过电路，想象三种场景：

1、非门开关控制灯泡，1是打开，0是关闭

2、与门
串连电路，只要关一个开关，灯泡就不亮，只有两个开关都打开灯泡才亮，即必须都是1才亮。

3、或门

并联电路，只要有一个开关是开的，灯泡就亮。

道生一，一生二，二生三，三生万物，就像人体蛋白质由二十种氨基酸通过不同组合而成，使用这三种基本逻辑门，就可以实现所有逻辑运算，进而构造出一整套的计算，这时候我们认为，与、或、非就是逻辑完备的。

一切运算的基础——加法

现在能生成万物的基础元素与或非门出现了，接下来我们着手设计CPU最重要的能力：计算，以加法为例。由于CPU只认识0和1，也就是二进制，那么二进制的加法有哪些组合呢：

• 0+0，结果为0，进位为0

• 0+1，结果为1，进位为0

• 1+0，结果为1，进位为0

• 1+1，结果为0，进位为1，二进制嘛！

• 

注意进位一列，只有当两路输入的值都是1时，进位才是1，看一下你设计的三种组合电路，这就是与门啊，有没有！

但，只有计算能力是不够的，电路需要能记得住信息。

神奇的记忆能力

到目前为止，你设计的组合电路比如加法器天生是没有办法存储信息的，它们只是简单的根据输入得出输出，但输入输出总的有个地方能够保存起来，这就是需要电路能保存信息。

电路怎么能保存信息呢？一位英国物理学家，设计了这样一个简单但极其神奇的电路：

这是两个NAND门的组合，不要紧张，NAND也是有你设计的与或非门组合而成的，所谓NAND门就是与非门，先与然后取非，比如给定输入1和0，那么与运算后为0，非运算后为1，这就是与非门，这些不重要。

比较独特的是该电路的组合方式，一个NAND门的输出是两一个NAND门的输入，该电路的组合方式会自带一种很有趣的特性，只要给S和R段输入1，那么这个电路只会有两种状态:

要么a端为1，此时B=0、A=1、b=0；

要么a端为0，此时B=1、A=0、b=1;

不会再有其他可能了，我们把a端的值作为电路的输出。

此后，你把S端置为0的话(R保持为1)，那么电路的输出也就是a端永远为1，这时就可以说我们把1存到电路中了；而如果你把R段置为0的话(S保持为1)，那么此时电路的输出也就是a端永远为0，此时我们可以说把0存到电路中了。

就问你神奇不神奇，电路竟然具备存储信息的能力了。现在为保存信息你需要同时设置S端和R端，但你的输入是有一个(存储一个bit位嘛)，为此你对电路进行了简单的改造：

这样，当D为0时，整个电路保存的就是0，否则就是1。

同理，我们可以通过任意加法器进行组合拼接实现较长的二进制计算。实际上，数学家已经证明，加法是实现所有数学运算的基础。有了加法器，原则上就可以通过他们搭建任何其他计算，像乘法、除法、平方、开方、三角函数等。而伟大的计算机科学家图灵在一百年前就已经指明，这些简单运算足以支撑任何信息处理的过程。

寄存器与内存的诞生

现在你的电路能存储一个比特位了，想存储多个比特位还不简单，复制粘贴就可以了：

我们管这个组合电路就叫寄存器，你没有看错，我们常说的寄存器就是这个东西，类似于平常运算过程用到的可擦写草稿纸。

上图左侧是十六进制操作码，右边是将数据从一个寄存器复制到另一个寄存器的操作。

你不满足，还要继续搭建更加复杂的电路以存储更多信息，同时提供寻址功能，就这样内存也诞生了。

寄存器及内存都离不开上一节那个简单电路，只要通电，这个电路中就保存信息，但是断电后很显然保存的信息就丢掉了，现在你应该明白为什么内存在断电后就不能保存数据了吧。

以上就是cpu计算的原理了，如前所述，真正的计算机在运行的时候，是通过逐条读取存放在内存中的相应指令，然后进行计算和操作实现的。被机器所识别并运行的机器指令或操作指令，会被编码成方便人类理解的筑基形式，就是汇编语言。

再接上一篇文章程序是如何在计算机上被执行的？（上篇：软件部分），从后往前读，就是整个程序在计算机上执行的流程了。

总结：

回顾一下，编程语言是经过如下流程在计算机上执行的：

编程语言---语法分析、词法分析---转换成汇编语言---机器指令---cpu运行---逻辑门---与或非

这样看，所有语言，不管是js，python，go还是其他的，最终都会被解析成汇编语言在cpu上执行。那么，所有语言，都是等价的，所有语言都可以通过编译器实现从一种语言到另一种语言到转换。

当计算机运行程序时，我们会发现每一层表现形式不一样，但本质都是计算，而且每一层都是建立在下一层基础上的抽象。虽然分了很多层，所有层都是等价的，层和层之间有明确边界，越到下层牵涉到的基础单元越多，越到上层越简洁。

抽象对我们在计算机科学中做的每件事都很有帮助。抽象使得编写一个大型程序成为可能，将其划分为小而且容易理解的部分，用C这样的高级语言编写这样的程序不用考虑汇编，用汇编写代码不用考虑逻辑门，用逻辑门来构建处理器不用太多考虑晶体管，抽象是如此重要。

不管是计算机网络分层原理，计算机系统，应用…都有抽象，都是为了让使用者更易用更好用，至此，理解了cpu，理解了语言的解析和执行、理解了分层和抽象，完。