揭开计算机的神秘面纱

写在前面的话：从接触电脑以来，就一直对电脑充满好奇。当电脑连接上电源，按下开机键，我们就可以做所有我们想 做的事情，打游戏、写文章、看电影、搭建web服务器、自己写程序等等。随着接触电脑的时间越长，反而对电脑更加的陌生，不断的问自己，计算机到底是怎么 组成的？为什么就能够实现这些功能？如果让我穿越回多少年前，该如何搭建一台电脑？恰好这几天读完这本书《code：the hidden Language of computer hardware and software》，确实一本好书，许多的疑惑得以解开，这篇博客就写写那些深深触动我的点，我认为，理解了这些点，也就理解了整本书的内容，进而理解了 计算机是怎么回事。

=====正文开始========

1.继电器

看下面两幅图：

　　

（1）左图中：一个铁芯，缠上一些线圈，当没有通电时，开关A是断开的，Out端没有电压，我们认为输出为0.

（2）右图中：当线圈通电后，铁芯被磁化，相当于变成了一块磁铁，进而可以吸引上面的开关A，Out端有电压，我们认为输出为1.

上面这么一个小小的简单的东西，就是继电器，它的意义非凡，因为我们可以人为的去控制：输出0和1了。

虽然在计算机中，继电器逐渐被真空管、晶体管取代，但是他们要实现的作用是一致的：输出0和1。

2.二进制

我们生活中采用十进制，可是计算机内的计算采用二进制，我认为这是非常重要的改变。请看下面的逻辑：

（1）二进制只有0和1，进而也导致二进制的加减乘除的结果只有0和1，二进制的与或非的结果也只有0和1

（2）进而可以将二进制的加减乘除与二进制的与或非进行等价

（3）而继电器可以输出0和1，因此可以通过继电器的各种”变着花样的组合“实现各种与或非

（4）因此可以通过继电器的各种”变着花样的组合“实现二进制的加减乘除运算。

理解了上面的逻辑，接下来要做的仅仅是实现所需功能而已。如何实现功能，也只是时间而已，下面贴一些图，展示一下如何通过继电器实现复杂的逻辑 结构，作为一个实现思路的引子，而实现各种自己想要的逻辑，经过几个夜晚的苦思冥想，是可以想出来的，如果不想自己去想，那么可以看看Code一书，算作 一个捷径。

继电器实现逻辑与

继电器实现逻辑或

继电器实现半加器

继电器实现全加器

不要被上面的图吓到，他们仅仅是继电器的变着花样的组合而已，如果我们沉下心来，也可以实现这样的组合，甚至可以实现更多我们所需要的，比如8位加法器、减法器、乘法器、除法器等等。

于是我们已经能够实现了计算机中CPU的一个重要功能：逻辑运算。

然而上面的操作，例如输入，都需要我们人为的去操作，我们可以去想象一下：一个人坐在那里，拨着开关，进行着操作，是多么的枯燥。如果实现自动运行，也就是说无需人为的操作，实现0、1的输出，是多么好的一件事清，我们确实也可以做到，接着往下看。

3.另外一种连接方式的继电器：反馈

看下面两幅图：

左图中，继电器没有通电的时候，继电器上面的开关B是闭合的；右图中，一旦给继电器通电（也就是开关A闭合），奇妙的事情就发生了：

（1）继电器通电，会吸引上面的开关B，进而使电路断开。

（2）电路一旦断开，开关B又恢复原位，使电路接通。（注意开关A一直是闭合的）

（3）上面两个过程自动重复进行下去了。

上面实现了这样的一种可能：继电器的输出可以在0和1之间自动完成，而能够自动完成的根本原因，在于下面两点：

（1）继电器在断电的情况下，开关B是闭合的（常闭型继电器），而前面的讲到的继电器在断电的情况下，开关B都是断开的（常开型继电器），这是一点不同。

（2）继电器的输入和输出没有分开，而是组成了一个回路，确切的说：是有反馈了。

经过上面两点小小的改变，我们可以利用这种思想，实现一系列其他所需的功能：

（1）我们可以实现RS触发器　　　　　　　　　　　　　　（2）我们可以实现D触发器：实现对1位数据的保存。

　　　　　　　　　　　　　

其中D触发器可以称为1位锁存器；通过对D触发器的各种变着花样的组合，我们可以实现边沿电源触发的触发器，进而实现多位锁存器；

通过将边沿触发的D触发器的输出反馈至输入，我们又可以实现分频器，进而实现计数器，同时计数器可以作为各个部分的时钟触发信号。

如果忽略上面的细节，我们知道我们已经可以实现锁存器、计数器、时钟信号。

于是锁存器构成了CPU中的寄存器和电脑中的内存RAM以及显卡的显存RAM；

计数器和时钟信号构成了计算机中的时钟驱动信号。

4.总线

上面我们可以说已经实现了CPU和RAM（内存、显 存），一旦将CPU与RAM连接，在能够自动运行的时钟信号的驱动下，CPU和RAM就能够协同工作实现所需的功能。CPU与RAM连接后，既可以实现 RAM的输出给CPU进行运算，又可以实现CPU的输出给RAM进行存储。

这些的输入输出都是通过实实在在的导线连接的。为了不至于使导线密密麻麻的难以辨识，我们可以对各个电路部件进行”各种变着花样的组合“，并把线路梳理清楚，总结为三种线路：数据总线、控制总线、地址总线。

（1）数据总线：上面传输的是数据，如果能够传输8位，那么就说数据位宽为8位。当然这里8位也是与前面提到的锁存器的位数是对应的；也可以说是与CPU中的寄存器的位数是对应的，其实都一回事。

（2）地址总线：地址总线也一根根的实际的导线，通过这些导线，就可以能够方便的选取RAM中的特定的锁存器；地址总线的数目决定了能够寻址的最大RAM。

（3）控制总线：传送控制信号，实现特定的控制功能，比如确定是读RAM中的数据，还是往RAM中写入数据。

还是要说上一句：这些线都是实实在在的导线。

5.机器语言

总线上面传输着0和1信号，通过0和1信号的各种变换，表示着传送不同的信息；RAM具有存储的功能，因此我们可以把一下0和1的信息存储进RAM，进而就可以让CPU去执行该命令了，这些命令就可以称为机器语言。

机器语言的0和1我们可以通过开关等多种方式写入RAM中，毕竟RAM是可以存储信息的；如果每次都写01太繁琐和不方便，于是将这些01的代 码用特定的符号表示，出现了汇编语言，汇编语言变成01代码的机器语言，需要通过汇编程序来实现，而汇编程序将汇编源程序汇编成机器代码，其实就是去查一 下机器代码和汇编符号的对照表格而已。

随着时间的发展，高级语言也相应出现了。

CPU本质上来说是由继电器构成的，确切一点是晶体管构成，不同的公司的不同工程师造出来的cpu，相应的构成也会有一些差别，导致机器指令代码也就不同，于是出现了不同的指令集，如X86指令集，RISC指令集等等。

6.外部存储介质

前面提到的RAM，本质上是由继电器构成的，确切的说是由半导体构成，这都无所谓，他们都有一个共同的特 点：当断电的瞬间，一切都没有了，为什么呢？因为电这个东西比较奇怪，说没就没了，如果想要长久的存储数据，得需要其他的方式：例如通过磁性物质来存储， 于是出现了磁带、磁盘；通过光信息来存储i信息，如光盘；以及其他的东西：如ROM、Flash等。

计算机的构成越来越复杂，以至于掩盖我们内心最初的好奇与冲动。