计算机里只有电信号，高电压和低电压。

现在的芯片基础材料是硅。(沙子里提炼出来的)

硅很特别既不是绝对导电，也不是绝对不导电， 所以叫半导体

物理特性是在其中掺杂别的元素，再接上电线加电压，就可以用电流控制它导电或者不导电。 这个可以被电控开关的开关，叫晶体管。

简单理解：
	加正电压 -> 把参杂的东西吸附 -> 形成通路 -> 通电 -> 1
	不加电压 -> 通道消失        -> 阻断通路 -> 断电 -> 0

现在的CPU中有几百亿个晶体管。所谓的4纳米、3纳米的工艺就是指晶体管的大小，能做到在一个指甲盖大小的硅片上放进去上百亿个晶体管。

晶体管的核心功能： 给控制端施加高压电->导电；低压电->断开。 高电压定义为逻辑1，低电压定义为逻辑0.所有的计算机原理都是建立在这两个状态上的。

逻辑门

• 与门
  • 两个晶体管串联，施加高电压 电流能从一个晶体管流通过另一个晶体管输出1，否者都是0
• 或门
  • 两个晶体管串联，只要其中一个施加了高电压 电流都都能通过输出1，只有两个都施加低电压 结果才是0
• 非门
  • 两个晶体管，施加高电压 结果0 施加低电压 结果1 （跟输入相反）
• 异或门
  • 两个晶体管，输入相同结果0；输入不同结果1

有了与或非门就可以构成计算机的所有运算、逻辑！

算术逻辑单元

加法

一位 A+B

A	B	C(进位)​	S(结果)
0	0	0	0	0+0=0
0	1	0	1	0+1=1
1	0	0	1	1+0=1
1	1	1	0	1+1=10(进位了)

总结（半加器）：

• 进位(C) = A AND(与) B
• 结果(S) = A NOR(异或) B

两位及以上 A₀A₁ + B₀B₁ (计算11+11)

• 右边是低位：A₁、B₁
• 左边是高位：A₀、B₀
• 低位算完，进位交给高位
• 高位不能只算 A₀+B₀，还要加上低位来的进位

1. 第一步：算低位 A₁ + B₁ = 1 + 1 用半加器：

• 和 S₁ = 1 XOR 1 = 0
• 进位 C₁ = 1 AND 1 = 1 结果： 本位 S₁ = 0，进位 C₁ = 1

2. 第二步：算高位 A₀ + B₀ + C₁ = 1 + 1 + 1 这里必须用全加器（3 个数相加）

• ① 先算 1 + 1（半加器 1）
  • 临时和 = 1 XOR 1 = 0
  • 临时进位 = 1 AND 1 = 1
• ② 再算 0 + 进位 1（半加器 2）
  • 高位最终和 S₀ = 0 XOR 1 = 1
  • 临时进位 = 0 AND 1 = 0
• ③ 合并两个进位（或门）
  • 第一个进位：1
  • 第二个进位：0
  • 最终进位 C_out = 1 OR 0 = 1 高位结果： S₀ = 1，最终进位 C_out = 1

3. 把结果拼起来
   • 最终进位：1
   • 高位和 S₀：1
   • 低位和 S₁：0 从高位到低位写：1 1 0 也就是二进制 110 = 十进制 6

半加器：一位二进制计算不考虑进位

全加器：一位二进制计算考虑进位计算

当写上一个加法的代码a+b时，在底层，代表a和b的电信号进入晶体管的加法电路中，经过极短的物理延迟，电路的另一端就输出了代表结果的高低电压，把这个高低电压写成0和1就是二进制，转换成十进制就是我们日常可读的。

寄存器

上面完成了计算，但是只是算没用，记不住啊一断电全没了。 于是引入了寄存器。

加法器是组合逻辑，输入没了，输出立刻消失，不记东西，要存结果就要时序逻辑 也就是触发器。

工程师发明了一种巧妙的短路，叫触发器，当计算完成后把输出端的信号再接回输入端，就算原始输入没有了，电路也能依靠内部的反馈记住当前的高、低压状态。

把这个触发器做一排，放在算术逻辑单元的边上，它就是寄存器。电信号传输距离短，速度快，造价高，所以只能做的很小！

触发器 = 把输出接回自己的输入，形成一个反馈环路。

只要环路通着，电路就能自己维持 0 或 1。

输入撤掉，状态还在。

这就叫：锁存、记住状态。（寄存器！） 他的本质是一个时钟信号（给触发器的电信号）。

• 平时：保持不变
• 时钟来一下：更新一次
• 更新完：继续保持

时钟信号

计算机主板上有一个晶振，石英晶体振荡器。只要通电他就会产生固定频率的脉冲电信号(加上放大器)

类似一个节拍器，也可以理解为是计算机的心跳，就是他多久更新一次电信号

我们的主频多收多少GHz，比如3GHz 就是一秒钟更新30亿次 也就是每0.000...0003秒 寄存器、加减法器、电路更新一次状态

为什么要有时钟信号？

• 加法器，逻辑门 都是有输入了就立刻计算
• 而触发器寄存器 需要等待指令才更新

这样电路变化就会矛盾，高位没计算完成 低位已经变了，寄存器的数据还没写完就被读取走了

所以需要一个时钟信号

信号每跳变一次

• 电路允许完成一步操作
• 寄存器只在始终跳变时才更新、锁定、存储
• 所有运算、读写，全部都跟始终同步

高 ┌───┐   ┌───┐   ┌───┐ 
   │   │   │   │   │   │ 
低 ┘   └───┘   └───┘   └─── 
     1   2   1   2   1   2

内存条(DRAM)

他的原理和寄存器基本一样，只是他不用触发器，使用微小的电容来存储电荷。

电容中有电荷就是1没点和就是0，因为电容结构很简单，只需要一个晶体管和一个电容就能存一位数据，所以可以把容量做得很大，几十上百GB

由于寄存器存储容量不大，于是有了内存条(动态随机存取存储器 DRAM)

但是电容有个致命缺陷，会漏电，存储的数据如果不管 几毫秒内部的电荷就会漏掉，会从1变为0，所以需要不停的给他刷新充电！(所以一关机断电内存的数据就全没了)

所以有了内存控制器，来给内存里的数据进行批量保存在填充回去，这个过程就叫刷新！

CPU工作流程

现在有了

• 算术逻辑
• 时钟
• 寄存器

我们可以执行指令了，但是如何把很多指令串起来执行呢？ 这时候就要用到程序计数器

程序计数器

是一个有着专门用途的寄存器，存储的下一条指令地址 他的作用告诉CPU下一步该执行哪个指令，这个指令记在内存中的哪个位置，

工作流程

1. 程序计数器存着下一条指令的地址
2. CPU去内存中把这个地址的指令拿过来
3. CPU执行这条指令
4. 程序计数器+1(或+指令长度)，指向下一条
5. 循环....

当晶振开始振动，第一个节拍打响，CPU就会去程序计数器中取指令，程序计数器把地址发给内存，内存把那个地址中存储的一长串0和1的指令送回CPU；
PC → MAR → 地址总线 → 内存 → 数据总线 → MDR → IR → 译码单元。

指令到CPU后进入控制单元(逻辑门)译码,根据指令激活通向算术逻辑单元的开关。同时指令后的0和1指名要参与计算的数据在哪个寄存器中，然后更新程序计数器中下一个指令的地址 以此循环

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无数个硅基晶体管组成电控开关，搭成与、或、非、异或等逻辑门，再组成负责运算的算术逻辑单元；用带反馈回路的触发器做成能记住 0 和 1 的寄存器，再由统一的时钟信号规定电路多久同步更新一次电信号，最终形成一套能算、能存、步调一致的计算机核心硬件。

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这就是计算机运行的全部底层真相。

没有任何高级的智能，只有晶振在规律地打着节拍；程序计数器在死板地递加地址；控制单元在机械地根据读进来的0和1切换电信号的通路；算术逻辑单元在被动地把涌入的电平转换成新的电平

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• 因为高低电压可以组合出逻辑门，所以有了能做数学题的算术单元。
• 因为反馈电路可以锁死电压状态，所以有了能存数据的寄存器。
• 因为我们需要有节奏地指挥电信号流转，所以有了晶振和控制单元。
• 因为这套系统太复杂不方便人类直接输入电平，所以我们发明了指令集，把0和1包装成了汇编语言，最后包装成种类繁多的开发语言,c c++ python ..

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