首先咱们先来点表面的虚的，说明一下计算机的构成

计算机由集成电路(IC，Integrated Circuit)组成,计算机的硬件有三个基本要素，CPU是计算机的大脑，负责解释、执行程序。内存中存放着程序(程序是指令和数据的集合,比如 a = 1 + 2,"+"操作是指令，1、2是数据)。I/O是Input/Output（输入/输出）的缩写，负责将计算机和外部设备（周边设备）连接在一起。一台计算机，除了CPU、内存、和I/O，还需要若干辅助元件，驱动CPU运转的时钟信号

再看一下，从编写好的代码到运行在计算机的过程

然后再看下CPU的构成

CPU

既然数据的运算是在CPU中进行的，那么在CPU内部就应该有存储数据的地方(比如运算 1+ 1+ 1，先运算1+1,把结果存起来，再进行+1运算)。这种存储数据的地方叫作“寄存器”，CPU和内存是由许多晶体管组成的电子部件，通常称为IC （Integrated Circuit，集成电路）。从功能方面来看，如下图，CPU的内部由寄存器、控制器、运算器和时钟四个部分构成，各部分之间由电流信号相互连通。

寄存器可用来暂存指令、数据等处理对象，可以将其看作是内存的一种。根据种类的不同，一个CPU内部会有20～100个寄存器。

控制器是计算机的控制中心，它决定了计算机运行过程的自动化；它不仅要保证程序的正确执行，而且要能够处理异常事件比如把内存上的指令、数据等读入寄存器(运算1+1+1的话，就把内存中的1、1、1读到寄存器，怎么读？后面会详细说)，并根据指令的执行结果来控制整个计算机。

运算器负责运算从内存读入寄存器的数据(怎么运算？看后面)。时钟负责发出CPU开始计时的时钟信号(怎么发？看后面)。不过，也有些计算机的时钟位于CPU的外部，我知道的单片机好像都是外部的

了解了CPU的构造后，大家对程序的运行机制的理解是不是也加深了一些？程序启动后，根据时钟产生的心跳驱动控制器会从内存中读取指令和数据。通过对这些指令加以解释和运行，运算器就会对数据进行运算，控制器根据该运算结果来控制计算机。看到“控制”一词时，大家可能会将事情想象得过于复杂，其实所谓的控制就是指数据运算以外的处理（主要是数据输入输出的时机控制）。比如内存和磁盘等媒介的输入输出、键盘和鼠标的输入、显示器和打印机的输出等，这些都是控制的内容。

CPU中每个寄存器的功能都是不同的。用于运算的数值放在累加寄存器(A寄存器也叫作“累加器”，是运算的核心)中存储，表示内存地址的数值则放在基址寄存器和变址寄存器中存储。

看到这些，只能说对代码在计算机中是怎么跑起来的，有了一个简单的认识，下面才是真正的理解，有请硬菜出厂

硬菜来喽

为了更好理解呢，咱们先用个实例开始一步一步的讲解，在计算机是怎么运算0011 + 0001 = 0100 的，包括怎么加载到计算机内存，怎么运算，怎么把结果存储起来。 从这个点出发，咱们一步一步的进行解析，下面说的逻辑门，可以不用记住电路图是怎么连接的，但一定知道有那么回事，因为既然写出来了，肯定是有用的，下面开始

继电器

 首先咱们先来了解一下继电器，百度百科是这么介绍的： 继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用

下图是实物，电子行业比较常见的外观是这种的,在电路板上一个黑色或者蓝色小盒子

那么实现原理是啥呢，首先得知道电生磁。缠绕在铁棒上的线圈，通电后会产生磁性，如同一块磁铁一样。如下图所示，开关闭合，铁棒和线圈就会变成一块磁铁，说到这里有没有想到以前物理学的安培定则呢

在电生磁的基础上，就能造出继电器了，原理如下：看下面左边的图，上面的电池和灯泡是断开的，红色箭头处指的是一个弹簧，嘴边的开关闭合时，左边的线圈会产生磁性，将上面的弹簧吸下来，这样上面的电池就和灯泡连接起来了灯泡会亮起，,如右图，所以继电器就是个开关，也可以做到四两拨千斤(如果上面的电池是100V，左边的电池是5V)

与门

如果两个继电器串联，就是咱们所说的“与门” ，只有当两个开关都闭合的时候，灯泡才回有电流，才回亮起来，如下图。(补充，下图是两个开关串联，可以是三个或者是四个)

所以"与门"表如下

"与门"的表示符号为

或门

如果两个继电器并联，就是咱们所说的“或门” ，只要有一个开关闭合的时候，灯泡就会有电流，就会亮起来，如下图

所以“或门”的对用关系如下

或门的表示符号是

非门

之前说的开关都是默认是关着，当我输入端有电流以后，开关闭合，相当于我输入1输出就是1，还有一种就是，开关默认闭合，当我输入端有电流以后(后面的图中，电池就用V代替)，开关断开，如下图，开关默认是闭合的，灯泡也是两的，当我把线圈通电，会把弹簧吸下来，灯泡回关。现象就是 我输入1输出是0，这种连接方式的继电器叫，反相器。

输出和输入相反，符号表示为

或非门

如下图，有两个串联的反相器组成的电路，默认灯泡是亮的，只要有一个开关闭合，灯泡就会灭(或门是两个灯泡都断开时，灯泡才会不亮，这个电路是和“或门”反着，所以叫“或非门”)

或非门的输入输出对应的表为：

符号表示为：

与非门

如下图，有两个并联的反相器组成的电路，默认灯泡是亮的，当两个开关都闭合后，灯泡就会灭 (与门是两个灯泡都闭合，灯泡才回亮，这个电路是和“与门”反着，所以叫“与非门”)

对应的输入输出表为

简写符号是：

总结规律：涉及到“与”的就是只有当两个都怎么样，结果才怎么样。“或”只要一个怎么样，结果就怎么样。

加法运算

基础条件已经具备，开始讲解0011 + 0001

咱们做十进制加法时，会从最右边的两位相加，然后再倒数第二列的两位相加，那计算机是怎么对两个数进行相加的呢，其实和咱们运算是一致的，也是先从最右边两位数相加 1 + 1开始

不管是十进制还是二进制，咱们进行运算时，都是先两位相加，然后再继续，比如59+13，先9+3 = 12,进1留2，5+1 = 6,再把前面的进位加上，6+1 = 7，也就是72。

不管是两个几位数的数进行运算，最终都会转化两个一位数的数进行运算。当运算的结果，超过了当前进制能表达的最大数，就会溢出（也就是进位），十进制单个数能表达的最大的值就是9，单个二进制数能表达的最大的值就是1。十进制的9+3 = 12，结果已经超过9所以进1留2，1称为进位，2称为加法位

当前位的运算结果实际上是加法位，比如上图最右侧两位进行运算是9+3，你在下面写的就是加法位2，因为进位会参与到下一次运算，不在当前位的结果中

二进制也一样，咱们用二进制进行加法时，是逢二进一 ，所有可能出现的情况只有下面四种情况

0 + 0 = 00  ->进位是0，加法位是0

0 + 1  = 01   ->进位是0，加法位是1

1 + 0  = 01    ->进位是0，加法位是1

 1 + 1  = 10     ->进位是1，加法位是0

所以咱们用下面左边的表来表示四种情况下相加的“加法位”。右边的表，表示四种情况下二进制加法中的“进位”

咱们需要设计一个电路，当输入二位二进制时，可以同时输出加法位和进位，咱们发现“进位”表的结果恰好和“与门”的输出结果相同，加法位的表，好像没有相同的，得重新设计一个，所以就出现了下面的设计，左边是设计电路，右边是对应的输出结果，这样的设计，输入和输出，就和加法的加数和加法位对应的上了，

这个电路被叫做异或门，，特定的电器符号如下图

异或门输出的是加法位，与门输出的是进位，两个并联起来，就同时有进位和加法位了。如下面左边的图片,电器表示符号是右边的图片。这其实就是一个2个二进制相加的加法器了

哇，好激动，两个1位的二进制数相加的电路已经出来了。计算机是没有思想的，只能靠各种电路来搭建出想要的东西。

0011 + 0001 最右边的1+1用上面的电路就可以出来了，加法位是0，进位是1也就是10，然后进行倒数第二列的加法。“0 + 1 + 最右边产生的进位”，因为前面运算产生进位了，所以现在三个数相加，刚才咱们的“半加器”只能输入A、B两位，进行两位相加，现在是三位，那就先两位相加，把相加的结果再和另一位相加，设计电路如下，和咱们在纸上进行笔算的流程是一样的，A、B代表上图中倒数第二列要进行相加的1、0，1和0相加后，进位是下图红色4所指的线，然后将加法位(红色数字2所指)和进位再次进行相加，产生加法位(红色箭头1所指，这是最终的数)，和进位(红色箭头3所指)，所以三个数相加，会产生一个加法位，和两个进位。最终的进位，应该是两个进位的和

但是你会发现不管咱们进行十进制计算还是为二进制计算，二个进位都不可能同时为1，比如我当前列的两个数相加，如果产生进位，那么剩下的加法位加上前一列产生的进位，就不可能再产生进位，可以自己验证一下。进位只可能有一个是1，所以设计图就如下所示

用简单的符号表示如下图

所以就0011 + 0001可以表示为下图，每一列都单独按照顺序输入到全加器中。A端输入分别是0011，B端输入分别是0001，到此我们就实现了加法器了，就可以算出0011 + 0001

八位加法器

为了后续方便讲解，咱们都至少用一个字节来表示数字，一个字节是8位，如果两个八位二进制数相加，咱们就得需要8个全加器串联，如下图。

如果你要进行16位二进制的加法，那就串联16个，一个8位加法器需要用到144个继电器，不信你可以数数。如果做减法呢，原理差不多，就是读转成补码相加

封装成芯片，就是下图样子，这样输入可以更直观

用简单的电器符号表示就是

振荡器

现在咱们有加法器了，咱们的计算机可以算数了，他现在会做 0001+ 0011，但是 如果做(0001+0011)+0111怎么办，一种办法就是用两个累加器，第一个累加器的结果输出到第二个累加器，但是不太现实，因为我如果一千个数相加，或者不确定的数相加，就没法整了。还有一种办法就是记住0001+0011的和，然后再+1，所以咱们接下来学习的是让计算机有记忆力

咱们先来看一个有趣的电路，这个电路，开关闭合后会发生什么

开关闭合以后(如图1)，线圈通电，产生磁性，把上面弹簧吸下来(如图2)，吸下来以后，线圈断电，磁性消失，弹簧又弹上去(如图3)如此反复 ~

如果弹簧上绑一个小锤子，是不是就变成小学下课放学时的铃铛啦了 ~。我们称这种电路为振荡器

当上图中的振荡器的开关闭合以后，线路中随便一个点电压就会变成下图所示。比如说弹簧从即将断开开始算起，再到即将断开，是0.05s，那么1s能循环20次，我们把每秒震动的次数成为频率，单位是Hz，也就是20Hz。可以改变弹簧的粗细，材质来改变频率

锁存器

在看寄存器前，咱们再看看“或非门”的输入输出对应关系，只要有一个输入是1的情况，输出就是0(看到“或”就是“只要有一个”)，如果忘了或非门怎么实现的，可以到上边找找。然后咱们接下来看下面的电路，下体中输

出，又回到输入，这种连接方式成为反馈，也就是输出的结果会影响到自己

咱们接下来看一下上图中开关闭合、断开时候的各种状态表现。

1、如下面第1张图是电路最初始的状态，现在两个开关都没通电，1、2处电压是0，所以3处是1。3处是1，4处是0，所以输出端5也是0，灯泡不亮

2、第2张图，第一个开关闭合，1处电压是0、2处电压是1，所以3处是0。3处是0，4处是0，所以输出端5也是1，灯泡亮起来了，亮起来以后1处就变成了1，2处还是1，3处还是0，虽然1处从最开始开关闭合时的0变为灯泡点亮后的1，但是输出结果是不变的

3、第3张图，第一个开关有闭合变为断开，1处电压是1、2处电压是0，所以3处是0。3处是0，4处是0，所以输出端5也是1，灯泡还是亮的，咦 ~神奇不，其实就是因为是反馈电路引起的

4、第4张图，第二个开关闭合，1处电压是还是1、2处电压是0，所以3处是0。3处是0，4处是1，所以输出端5是0，灯泡灭了，灭了以后1处就变成了0，2处是0，3处变为1，虽然1处从最开始1变为0，但是输出结果是不变的

这种电路有啥作用呢，就是记住你上次的操作，如果灯泡亮着，就说明你上一次操作的是闭合过上面的开关，如果是灭的，要不就是一个开关也没动过，要不就是最后一次操作的是下面的开关。就和咱们的汽车，如果发动机是启动的，说明你最后一次是顺时针拧的钥匙，如果发动机是熄火状态，要不就是没碰过车，要不最后一次就是逆时针拧过钥匙(仅限非一键启动的车 ~)。这就相当于给计算机添加了记忆力，可以记住上次的事

将上面的图，变一下型就成下图，只不过在红色数字3处，引出了一个 ~Q，注意，下图下面的S(set)是上图的第一个开关，下图的上面的开关R(reset)是上图第二个开关。为啥Q和~Q是相反的呢,可以验证一下~Q是由Set和Q或非的结果，Q是1时，不管set是啥，~Q都是0，Q是0时，set肯定是0，所以~Q是1。  

输入输出对应的表格如下 。set打开，或者reset打开，或者都不打开，不能同时打开，都关闭时，会保持上一次的状态（比如上面set开关打开，灯泡亮了，闭合后，会保持之前的状态，还是亮的）

现在这个触发器呢还是有点不完美，就是只要set或者reset操作了，就会把对应的状态记下来，也就是Q会有相应的变化。比如说要记开会的会议内容，只记重点就行，不需要全记。所以咱们做成，需要记的时候，才记。如下图，多了两个与门(都为1时才是1)，当保持位为0时，set和reset不管输入啥，两个与门输出的都是0，如红色数字1、2所示，所以输入到大脑的是0，那输入的都是0，输出就会保持上一次的不变。当保持位置1，set和reset才有效

、

咱们说了set和reset不能同时为1，但是电路是允许这样输入的，所以咱们得避免一下，防止人为出错，改造如下图，数据端输入1，就相当于set是1，reset是0。数据端输入0，就相当于set是0，reset是1。那之前输入都是0的情况咋没了，咱们想想，set和reset输入都是0，输出会保持不变，咱们保持位是0的时候，其输出就是不变的，就可以代替都是0的情况了。这就好像是一条有门的通道，当保持位是1时，门才打开，才能通过，保持位是0时，门是关着的，无法通过。这种带开关的就叫"电平触发的D型锁存器"

上图的锁存器，只有一个数据端，所以只能保存1位二进制数，如果保存多个呢，那就多用几个，把八个摆在一起，就变成8位的锁存器了，如下图，右边是，简化电气图

有了记忆力之后，咱们就可以用一个加法器，进行多个数的相加了，如下图

开关处可以依次输入好多个数，每次输入完，把相加开关闭合一下，也就是把门打开一下,让数据进去，你会发现8位锁存器，比之前的多了一个清零开关，之前的电路也可以做到清零，保持位置1，数据端输入0就可以了，但是为了方便清零，又单独接了条线，线接在哪呢，如下图，直接接在最初的reset端，不受保持位影响

计数器

咱们已经可以让咱们的计算机进行多个数的计算了，但是还不完美，每个数的运算，都得手动操作一下开关，然后万一输入错误，那就得从头开始了。所以怎么继续改造

之前说的电平触发的D型锁存器，现在再说个边沿触发的D型锁存器,电平触发的是一道门，输入1时，门打开，🐖进去了，边沿触发是两道门，打开两道门🐖才能进去，两道门就是两个电平触发的D型锁存器组成，如下图左边一个，右边一个。

当时钟为0时，左边触发器保持位为1，第一道门打开，数据端进入到第一个锁存器，当时钟为1时，第一个锁存器的保持位为0，门关上了，右边的第二个锁存器的保持位(红色箭头2处)处为1，第二道门打开，🐖就进去了 ~ ，时钟信号由0变1，🐖分别经过1、2道门。这就是边沿触发的D型锁存器

符号表示为

clk是用来输入0~1变化的心跳，那这个心跳由谁来产生呢，就有之前说的振荡器，加上振荡器以后，就变成下面这个样子

输入输出的时序图如下，也就是，时钟信号变两次(开两扇门)，输出才变1次(🐖才跑出来)，下面这张图，真正理解了边沿触发器才会看明白

然后根据输入信号的变化，和clk的变化，可以看出是如下关系，用红色箭头指的“下降”和“上升”的位置，就是指 数值 要变化了，只有时钟信号由0->1的瞬间，Q的输出会变成的输入的D一样。时钟信号由1->0再从0->1这算一个周期。所以时钟信号每变化一个周期(两次)，输出才会变化一次

如果输入的时钟心跳频率是20Hz，即每秒20次，那输出端Q变化的频率是减半，变成10Hz，由于这个原因，这种电路称为分频器。如果连接好几个，可以产生更多频率的输出，因为~Q和Q的反的，Q和输入D是一样的，所以~Q和和D是相反的。将输出的~Q反向输入到D就会让D处于一直变化的状态

心跳、Q1、Q2、Q3输出的频率分别递减为前者的一半，分别为20Hz、10Hz、5Hz、2.5Hz。如图

把0、1标上去之后就会发现了一个新奇玩意

把图顺时针先转90度就是

刚才是一个震荡器（心跳）+ 三个D型触发器，构成了4位的二进制数所能表达的数，如果把8个触发器连接到一起，就构成了8位的计数器，如下图，如果你担心传递把的触发器，会有延迟，别担心，与更先进没有延迟的并行(同步)计数器

下面开始讲内存，咱们都知道，咱们的程序会被加载到内存，那内存是由啥构成的，怎么访问呢

内存

首先，回顾一下，前面说的D型电平触发器，当写操作端为1时，Q才会变为数据端，否则不变化。也就是写操作端为1时，会把数据端输入的数据存储起来了

简化的符号是

如果把8个电平触发器连起来，共用一个写操作端，那就可以同时存8位，如图

但是如何检测，我输出的数据是啥呢，当然可以连上灯泡检测，8个输出，用一个灯泡得连8次才能全部检验完。所以发明了另一个比较简单的装置，这样就不用拿着一个灯泡安装，拆下，再安装

8-1选择器

具体的实现是

输入输出对应的就是

这样只需要1个灯泡连接，只操作那三个开关就可以实现挨个输出对应的结果，

接下来再看输入，一种方法就是，每个写操作端加一个开关，来决定当前的锁存器是否被选中,还有一种就是，只有一个选择开关，然后判断这个选择开关作用到哪个锁存器，于是就发明了 3-8译码器

数据输入端的数据。由输出端O(0-7八个脚)的哪个脚输出,是有S0、S1、S2决定的，上图可以看出数据输入端和每个“与门”相连，“与门”的特点是只要输入端有1个是0，则输出肯定是0，所以要想与门的输出和数据输入端一样，则“与门”的其他三个输入必须为1。咱们举个例子，比如S0、S1、S2对应的是0、1、0,那输出端的哪个引脚和数据输入端一样， S0是0所以下图用红色箭头指的线相关联的“与门”输出肯定是0，就排除了和S0直接连接的与门(红色箭头指的1、3、5、7)，S1是1,取反是0，所以和S1取反连接的与门，都会输出0，所以下图用绿色箭头指的线相关联的“与门”输出肯定是0，就排除了和S1非们直接连接的与门(蓝色箭头指的0、1、4、5)，S2是0所以下图用蓝色箭头指的线相关联的“与门”输出肯定是0，就排除了和S2直接连接的与门(蓝色箭头指的4、5、6、7)

所以还剩2，有可能，咱们再验证一下2是否和数据输入端一直，看下图，2引脚的输出，是 S0取反、S1、S2取反、数据输入端决定的

S0取反、S1、S2取反对应的是1、1、1,所以输出引脚2的输出值，是由数据输入端决定的

所有的情况都走一遍你会发现，结果是这样的

然后就组装了一个。可以一边存，同时可以看到存的值是啥的系统,如果写操作端置1，就是一边存，接着把存的值显示出来，如果写操作端置0，那么只显示选中的地址存的值

然后这就是咱们常说的RAM(Random Access Memory)~简化结构为,之所以被称为随机访问存储器，是因为读写操作很自由，我们只需要改变地址及相关的输入，就可以从8个锁存器中读出或写入需要的大数据

这个RAM可以存储8位，要想存储更多怎么办，可以拼更大的,比如下图

2-1选择器,输出会根据选择端是0还是1来输出A还是B

如果想要更大的，可以依次类推。咱们再回顾一下，之前做多个数的加法时，需要把每个加数，比如50个数相加，依次从开关处输入，每输入完一个按一下“相加”把 "和" 存起来，等待下一次相加，如下图

虽然可以实现多个数相加，但是还是得依靠人工把每个数用开关输进去，万一中途某个数输错了，那前功尽弃，所以继续改进，咱们上面刚刚学习了RAM,可以随表访问某个地址读写，万一某一个写错了，可以直接访问那个修改就可以了，

所以改进一下，第一步，先用控制面板(开关)把加数挨个输进去，万一错了可以随时改，如下图，可以用地址选择开关选择要写入的锁存器

数据有了以后，就可以往加法器里自动输入进行相加操作，真昂起每震荡一次，16位计数器就会从0000 0000 0000 0000 每次加1，直到 1111 1111 1111 1111 计数器的输出作为RAM地址选择段的输入，就会依次选中每个地址，将咱们手动输入到RAM的数据依次输出到加法器。同时，振荡器也连接着锁存器，同时会把加法器加完的数值锁存起来。

        这样就不怕输入错了，到目前为止咱们已经涉及到了累加器、内存、锁存器、控制器，但是还有些不足，比如，我一共就有10个数相加，加完怎么让他停下来呢 ~   ，还有一个问题就是我想做 27h+A2h+18h =? 、1Fh + 89h = ？、33h+2Ah+55h =? 我就得先把27h、A2h、18h输入到RAM做完加法以后，再把1Fh、89h输入进去，再做加法，依次类推，这是比较麻烦的，就和普通计算器一样，不像电脑 ~。

        我们希望这个家伙可以更智能一点，比如我输进去27h、A2h、18h、1Fh、89h、33h、2Ah、55h计算机能知道我前三个数是一组，接下来的后2个数是一组，最后三个是一组，并且把每组的计算结果接着保存到RAM中，方便我一会查看(当组数是100组时，如果不保存，很容易记错)，但是只靠输入27h、A2h、18h、1Fh、89h、33h、2Ah、55h这几个数，别说计算机，就是人也没法确定你要干啥。

        所以得附带一些说明，告诉他我这个数是干啥的。比如告诉计算机27h是第一个加数，A2h是这组运算的第2个加数，18h是第一组的最后一个加数，加完最后一个加数后，你得给我把"和"存起来。第一个数27h需要的操作就是把他加载到累加器中，不需要计算，因为现在只有一个数，第二个数A2h需要做的操作就是加载到累加器中并且进行求和运算，第三个数18h需要做的事是继续和前两个数的相加结果求和并且存起来。然后累加器清零开始加载第二组的第一个，以此类推。当做完第三组的时候，需要将停止计算。

首先如果咱们想把计算结果保存到RAM中，那么咱们计算的结果，应该得连接到RAM，如下图，锁存器存储的是计算结果，结果不仅输入到加法器用来做接下来的运算，而且还连接到了RAM方便把每组计算的最后结果存储起来。什么时候存呢，当然是当每组的最后一个加数加完，将RAM的W写操作端置1，然后就存起来了

但是把每组计算的结果存哪里比较好，当然是放在每组的最后面比较好，这样每组的加数和相加的结果都存在一起。如下图，方格里是具体要操作的数，左边0000h:代表在RAM中的地址

然后再给每个要进行运算的数做一个操作说明，

所以我要把每个加载到内存的数，都做一个说明，让计算机知道我这个数是干啥的。怎么表示这个数是干啥的呢，所以数据的说明(操作码)就·产生了，根据上面的加法遇到的情况，可以表示为加载、保存、加法、停止，并且还有对应的代码值，如下图，汇编语言的既视感有木有

所以咱们要做的就是，对每个输入到RAM中的数据要做一个说明，说明他是用来做啥运算的，刚开始发明了一种方式就是用两个RAM，一个和之前一样继续存放咱们的数据，另一个RAM存储对这个数据的说明(操作码),如下图，左边的RAM存储着对第二个RAM同样地址的数据的说明(也就是操作码的简写),右边是存放数据的RAM,

所以有两个RAM的结构图如下，需要注意的是：

(1)16位计数器是一直工作的，所以还是从地址0000开始同时访问两个RAM

(2)当红色箭头1输出的代码(操作码，后面图中说的代码指操作码)是10h也就是Load时，红色箭头2处的选择器的输入应该选左边也就是RAM的输入，因为这是加法的第一个数,不需要进行运算。如果选右边，会被上一次进行的运算结果干扰，上一次的运行结果还在加法器中的右侧输入端

(3)当红色箭头1输出的代码(数据的说明码)是11h也就是Store时，需要将红色箭头3指的数据的RAM的写操作端置1，这样就会把运算的结果写到RAM中

咱们的加法器和锁存器都是8位的，如何进行16位的运算呢，比如76AB + 232C = ？，有一种办法就是先低八位相加存起来，然后再高八位相加。AB + 2C,76 + 23,具体运算如图

当然这是比较好的情况，因为低八位相加没产生进位，如果产生进位了咱们还得处理。回想一下刚开始讲的加法器，两个数相加，产生进位会有一个进位标志，会在下一位运算时加进去，如下图,这是 A +B自己每列相加产生的进位会自己处理，但是咱们这次要做的事，把A + B产生的进位，算到 C + D中去。但是思路是一样的，第一次运算有进位以后，用一个锁存器存起来，锁存器的名字就叫“进位锁存器”吧。下次运算时，把进位锁存器的值连接到进位输入，参与第二次运算。

但是这样把一个16位的数拆成两个8位还是不太灵活。第一，输入数据的流程必须是 输入第一个加数->输入第二个加数->预留出结果位。。。。反复这样，我如果要进行的是32位的数相加，我的结果是分散在四个地方的，查看不方便，第二，我前面运算的结果，在后面的运算中是想用也没法用的

于是就将存放代码(操作码)的RAM优化了一下，之前操作码和数据的对应关系是1对1，现在改为3对1，如下图，第一个代表要操作码，是Load还是Add，还是Store,第二行和第三行代表数据在数据RAM中的地址

这样就灵活了很多，我可以把从计数器还没走到的位置，或者已经走过去的位置进行读写操作，比如进行16位数的加法时，结果可以这样存，如下图，我用左边的代码就可以实现右图表示的将结果保存在相邻的位置

既然RAM是可以随意访问不同位置的数据，并且数据的RAM和操作码的RAM不需要一一对应，咱们就可以用一个RAM了，比如前半部分放操作码，后半部分放数据，完美，这样就出现了下面的结构图，咱们以上图的运算作为讲解例子，(此时需要一个电路，就是心跳一下，红色箭头5指的锁存器clk输入为1,  6、7的 clk为0，第二下，6的为1， 5、7为0，第三下，7为1， 5、6为0。并且第三下之后让2-1选择器的sel取反，让2-1的选择器的输入由红色箭头1变为红色箭头2，然后再下一轮之前再变回来),首先让2-1选择器默认是上端作为输入，计数器第一心跳输出默认是0000，然后从红箭头1出输入到RAM,此时RAM地址0000出存的是10h，所以输出的是10h(操作码Load),此时红色箭头5把10保存下来了，计数器第二下心跳输出默认是0001，然后从红箭头1出输入到RAM,此时RAM地址0001处存的是40h，所以输出的是40h(代表数据的地址),此时红色箭头6把40h保存下来了，计数器第三下心跳输出默认是0002，然后从红箭头1出输入到RAM,此时RAM地址0002处存的是01h，所以输出的是01h(代表数据的地址),此时红色箭头7把40h保存下来了,当心跳第三次结束以后，2-1选择器的输入变为红色箭头2，也就是红色箭头6、7拼起来的16位地址，也就是加数的地址4001h，进入RAM以后，RAM把4001h地址处的数据ABh输出出来，然后进入之前电路图中所示的累加器的锁存器，累加器后面的锁存器的输出，会连接到红色箭头3所示，当遇到11h的操作码时，RAM的w端置1。大体思路就是这样，有些具体的小的结构没体现，可以尝试做一下

是不是已经看得头大了，没事再忍忍，还有最后一次优化就讲完了 ~

咱们再来说说跳转Jump，比如咱们要做乘法，A7h x 1Ch,也就是把A7h重复加1C次，如果单个输入，就太费时间了。如果咱们有跳转，就好了，只写A7h +A7h，执行完再跳到开始处继续执行。咱们的操作码和数据都是放到RAM中的，比如想要跳转到A地址，说白了就是让访问RAM的地址A，那么访问RAM哪的地址，是计数器决定的，所以出发点是，需要的时候修改计数器输出的值，可以通过16位计数器的D型边沿触发器的预置(Pre)和清零(Clr)输入来实现，清零之前有提及，预置的原理一样，就是直接连接线到输出附近

说白了就是，当置位信号(下面会说到这个置位信号)为1时，输入是啥，Q端输出就是啥，所以当遇到跳转指令时，将置位信号变为1，输入端输入跳转指令后面的地址，这样RAM的输入就是跳转指令后面的地址,输出就是RAM中跳转指令后面的地址的值，这样就多了一个跳转指令 Jump(操作码是30h)

所以电路中的计数器，就多了一个置位功能，为了随时改变计数器的值，如下图

现在还有一个问题就是，怎么让跳转指令停下来，我重复1Ch次以后，需要停下来，这样得需要一个停下来的标志位，这个标志位就叫0标志位，他也是个锁存器，我们在加法器上连接上这个锁存器，如图，当加法器输出的每位都是0时，或非门输出是1，也就是零标志位是1

比如重复1C次，想要做的就是，每重复完一次，1C就减1，当时0的时候，上图的加法器就输出0了，然后跳转标志位就变1了，变已以后，咱们就不强制改变计数器的值了，咱们做呢 ~首先，我们可以在强制干预计数器的那个边沿触发器置位那里 “与” 一个取反的0标志位后再输入到置位，0标志位默认是0，取反后是1，所以不干预操作置位，当0标志位是时，置位会失效

如下图这是A7 x 1的运算，左边是数据，右边是操作码和地址

接下来就是怎么在1Ch次后，加法器输出为0（加法器输出为0，零标志位就是1），咱们得在跳转前，专门做一个操作，就是让1C减1，1003h的地址里就是1C，和001E地址的FFH相加，实际上是减1操作了，然后存到1003h，然后重复操作，最后加法器就变成0了(实验一下 1C + FF = 0001 1100 + 1111 1111 =    0001 1011 = 1B) 

最开始讲了加法器，这里讲了RAM(内存)那一个简单的小计算机是不是就出来了，如下图,只需要把需要加的数，依次从开关处输入，没输入完一个按一下“相加”把和存起来，等待下一次相加

用来累加多个数的锁存器称作累加器

现在再来看文章刚开始说的CPU构成的部分如下图，现在就应该很清楚了吧，

寄存器就是锁存器，来存储数据

控制器就是边沿触发器的串联分频产生的，用来产生计数

运算器就是上面说的加法器

时钟就是说的那个铃铛电路

Bug的由来

接下来是自己的一些理解（不保证是对的）

CPU架构

用10h代表Load的意思，用11h代表保存的意思，这个值不是适用于所有的计算机，不同的CPU，可能用不同的值代表、不同的CPU电路的设计也可能不一样，这就延伸出一个知识点，架构

架构是也可以说是指令集架构，是指令集的实现或者可以简单理解成指令集的另一种叫法，arm架构就是指使用arm指令集的处理器。那什么是指令集呢？指令集是存储在CPU内部，对CPU运算进行指导和优化的硬程序，CPU的运行执行的就是指令集,目前市面上的CPU分类主要分有两大阵营，

X86

intel、AMD为首的复杂指令集CPU，Intel、AMD的CPU是X86架构的(Intel早期的处理器名称是以数字来表示，并以“86”作为结尾，包括Intel 8086、80186、80286、80386、80486、80586、奔腾系列等等，因此其架构被称为“x86”)

ARM

IBM、ARM为首的精简指令集CPU。IBM公司的CPU是PowerPC架构，ARM公司是ARM架构。

ARM处理器具有低成本、相对的高性能和低耗电的特性，ARM的高性价比和低耗能，非常适用于移动通信领域，所以在移动市场比英特尔更具优势。

那么复杂指令集和精简指令集的区别在哪呢，个人感觉就是咱们今天学习的电路的设计，布局的区别

之前看到一个而比较形象的例子，自己又改造了一下,例如 泡1杯柠檬水

复杂指令集： 1、去泡一杯柠檬水    2、爷，泡好了   (相当于复杂指令里有泡柠檬水这个 "操作码")

精简指令集：1、去泡一杯柠檬水    2、找杯子     3、找柠檬      4、倒上水     5、 放柠檬    6、泡好了。(简洁指令里,没有泡柠檬这个 “操作码”，只能按顺序执行小步)

显然复杂指令速度快效率高，但是如果吩咐去泡杯百香果水，那复杂指令还得有一个泡百香果水的操作码，然后又一堆和之前重复的电路，但是，简介指令，只需要把找柠檬替换成找百香果

X86(复杂指令)性能很牛，电路多并且设计复杂，所以发热量比较大，需要主动散热；一般用于个人电脑、大型服务器等

ARM(精简指令)相对高性能，但是和X86还有些差距，有点就是低功耗，高性价比

单核、多核处理器(个人理解)

什么叫单核什么叫多核，可以简单的理解为1个累加器(也可能是一个运算模块)和多个累加器(运算模块)的区别，为啥会有多核，因为单个累加器的处理能力遇到了瓶颈，也就是没法再快了。为啥没法再快了，我觉得是因为一个时钟心跳需要涉及到好多模块(控制电路、内存、累加器)的配合来完成一条指令的运算，如果时钟频率无限的加快，就会造成配合不好，下一个时钟心跳已经开始，结果上次的运算还没完成，造成运算错误。所以就得有两套电路来进行运算