文章目录

1.计算机发展史
2.冯诺依曼体系（Von Neumann Architecture）
3.CPU 基本工作流程
- 3.1逻辑门
- - 3.1.1电子开关 —— 机械继电器(Mechanical Relay)
  - 3.1.2门电路(Gate Circuit)
- 3.2算术逻辑单元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）
- - 3.2.1进制的理解
  - 3.2.2算术单元(Arithmetic Unit)
  - 3.2.3逻辑单元(Logic Unit)
  - 3.2.4ALU 符号
- 3.3寄存器(Register) 和内存(RAM)
- 3.4控制单元 CU(Control Unit)
- 3.5指令（Instruction）
- 3.6CPU 的基本工作流程
- 3.7小结

大家好，我是晓星航。今天为大家带来的是计算机是如何工作的(上) 相关的讲解！

1.计算机发展史

计算的需求在人类的历史中是广泛存在的，发展大体经历了从一般计算工具到机械计算机到目前的电子计算机的发展历程。

人类对计算的需求，驱动我们不断的发明、改善计算机。目前这个时代是“电子计算机”的时代，发展的潮流是：更快速、更稳定、更微型。计算机的以后将如何发展，期待大家的努力。

推荐书籍: 《计算机简史》

2.冯诺依曼体系（Von Neumann Architecture）

现代的计算机, 大多遵守 冯诺依曼体系结构

CPU 中央处理器: 进行算术运算和逻辑判断.
存储器: 分为外存和内存, 用于存储数据(使用二进制方式存储)
输入设备: 用户给计算机发号施令的设备.
输出设备: 计算机个用户汇报结果的设备.

针对存储空间

硬盘 > 内存 >> CPU

针对数据访问速度

CPU >> 内存 > 硬盘

3.CPU 基本工作流程

接下来，我们用一个从无到有的过程，一步步搭建一个 CPU 出来，希望大家可以借助这个过程，理解CPU、内存等计算机主要部件的工作原理。

3.1逻辑门

3.1.1电子开关 —— 机械继电器(Mechanical Relay)

通过电子开关，我们可以实现 1 位(bit) 的看似无用的逻辑运算，但至少它工作起来了，不是么。怎么使用电子开关组合出真正有用的逻辑组件，我们接来下会做进一步的学习了解。

以后的真空管、晶体管的实质也是完成类似的工作，只是物理原理更加复杂，我们就不带着大家做深入解读了。

3.1.2门电路(Gate Circuit)

接下来，我们学习如何使用电子开关构建一些有用的部件 —— 门电路。可以实现 1 位(bit) 的基本逻辑运算。

3.2算术逻辑单元 ALU（Arithmetic & Logic Unit）

ALU 是计算机中进行算数、逻辑运算的核心部件，是计算机的数学大脑。接下来，我们用上一节构建的逻辑门来完成自己的一个 ALU，去学习理解它的工作模式，以便作为我们进一步理解现代计算机工作原理的基石。

3.2.1进制的理解

二进制和十进制：

3.2.2算术单元(Arithmetic Unit)

算数单元，负责计算机里的所有数字操作，比如四则运算，当然它能做的远远不止这些。接下来我们会带着大家实现一个 8 位（bits）的加法器（adder）来，以演示整个过程，其他的运算器就不再详细讲解了。

至此，一个 8 位（bits) 加法器就被我们从无到有制作了出来。算术单元支持的操作当然远不止这些，通过继续组合逻辑门，算数单元可以做到加减乘除甚至更多的算术运算，但一个加法器作为演示已经足够了。实际上，乘法器和除法器的制作难度是要高于加、减法器的，有兴趣的同学可以尝试做更多的了解。

3.2.3逻辑单元(Logic Unit)

逻辑单元主要用来进行逻辑操作，最基本的操作就是与、或、非操作，但不只是一位(bit)数的比较。

3.2.4ALU 符号

经过我们的努力，通过基本的逻辑门电路，我们一步步地做出了一个 8 位(bits) ALU，甚至比 Intel 74181 还要强大，Intel 74181 只是一个 4 位(bits) ALU（)。当然现代的计算机中的 ALU 部件非常强大，复杂度远远超过了我们的想象，32 位甚至 64 位基本已经普及全球了。但无论如何，再复杂的 ALU 也是芯片工程师像我们这样，一层又一层，一步又一步地将其抽象出来的。ALU 是第一次将人类历史上的数学和逻辑学学科有机地结合起来，可以视为人类智慧发展的现代巅峰。