前面一小節(jié)介紹了芯片是什么。我們雖然知道了芯片是個什么東西，但是仍然不知道芯片是如何工作的。我們還是要了解芯片的具體工作原理，才能真正理解編譯器設(shè)計機器碼、中間代碼的原因。下面我們就從學(xué)習(xí)一個最簡單的8位CPU的設(shè)計原理，來搞懂芯片到底是如何工作的。當前CPU設(shè)計已經(jīng)很復(fù)雜了，原理也和本文的內(nèi)容有很大差異，但是萬變不離其宗，最基本的原理還是一致的。

　　注：本小節(jié)內(nèi)容主要是對《But How Do It Know? - The Basic Principles of Computers for Everyone》一書的理解總結(jié)，這本書目前還沒人翻譯。建議英文條件好的同學(xué)都去買英文原本看下，或者網(wǎng)上也有電子書。

　　芯片電路圖

　　學(xué)過數(shù)字電路的同學(xué)是不是感覺上面的電路圖并不復(fù)雜？目測就一百多個門電路和封裝好的譯碼器、移位器等拼一塊兒竟然就成了一個8位CPU芯片九游會j9官網(wǎng)真人游戲第一品牌。最右邊是輸入機器碼的地方。紅色是每個時鐘電路的通路。

　　記住這一點：CPU芯片本質(zhì)上只是在不斷的重復(fù)取指令、計算、輸出結(jié)果，而取值、計算、輸出本質(zhì)上就是芯片內(nèi)部的不同通路。而不同通路的選擇以及值的傳遞靠的是門電路。下面我們就來從頭開始DIY自己的8位CPU芯片，借此理解芯片的工作原理。

　　開始動手DIY芯片之前，我們要了解一下基礎(chǔ)的數(shù)字電路。這些并不復(fù)雜，只要你懂基本的邏輯運算就可以。門電路只不過換了一種符號體系來表示數(shù)學(xué)運算。

　　與非門

　　c = !(a & b)，其中c是輸出，a、b是輸入。這個計算公式表達的含義就是將a、b做與運算后再取非。注意：a和b都是一根線，換句話說都是一個bit。對應(yīng)數(shù)字電路的與非門：

　　與非門

　　真值表

　　請各位同學(xué)記?。哼@是這個芯片里面最重要的基本電路。

　　非門

　　c = !(a & a)。與非門大家看懂了，這個就沒啥好說的了。純粹就是拿與非門實現(xiàn)了非門電路

　　非門

　　1bit存儲單元

　　來了，重點來了，我們開始用基本的門電路搭建一bit的存儲單元。數(shù)字電路有很多的穩(wěn)定的狀態(tài)（簡稱穩(wěn)態(tài)），有的穩(wěn)態(tài)輸出0，有的穩(wěn)態(tài)輸出1。輸出從0切換為1，或者從1切換為0，都只不過是外部條件觸發(fā)從一個問題切換到另一個穩(wěn)態(tài)。

　　廢話不再多說，上電路圖：

　　1bit存儲單元

　　我們來分析下電路的輸出：

　　1.i=0 s=1。此時a=1，b=0，c=1，o=0。

　　2.i=1 s=1。此時a=0,b=1,o=1,c=0。

　　規(guī)律1：當s=1時，o的值和i保持一致。i就是輸入，o就是輸出。

　　3.i=0, s=0。此時a=1,b=1,o和c的值既可以是0，也可以是1，或者說保持原有值。

　　4.i=1, s=0。此時a=1,b=1,o和c的值既可以是0，也可以是1，或者說保持原有值。

　　規(guī)律2：當s=0時，o的值維持自己的值不變，無論i怎么變化。

　　看到?jīng)]?。。∫?guī)律1+規(guī)律2是不是造就了一個可以保存輸入值的電路，這就是1bit內(nèi)存單元。支持寫入，支持讀取。

　　8bit存儲單元

　　1bit我們做好了，8bit就是集合8個1bit單元。用一個開關(guān)位控制（如果多個開關(guān)位也可以，那就表示CPU支持位操作指令）

　　8bit存儲單元

　　總線

　　我們先來介紹一個新的電路，由多個與門電路組成。這個電路當e關(guān)閉時，無論i輸入怎么變化，輸出的值都是0。當e打開時，輸出和輸入保持一致。

　　使能電路

　　我們把這個電路和前一個電路串聯(lián)起來，得到下面這個電路，這個就是我們后面要用到的8bit寄存器了。這個電路很重要，前面的B允許我們讀取輸入并保存起來（無論輸入后面怎么變化）。后面的E允許我們該輸出的時候才輸出：

　　寄存器電路

　　再來加入一個關(guān)鍵概念總線：

　　我們把8bit線的連接用“=”符號替換，這就是總線了j9九游會。這里也能看出一個重要概念，總線其實是有位數(shù)的概念的。

　　簡化后的表達

　　其他表示方法

　　譯碼器

　　再來最后一個譯碼器電路。其實就是將abc的值，翻譯成具體的值。

　　譯碼器

　　好了，我們可以繼續(xù)了。有了這些背景知識，你就可以做一個CPU了。下個小節(jié)我們正式開始