中央處理器（CPU，Central Processing Unit）是一塊超大規模的集成電路，是一臺計算機的運算核心（Core）和控制核心（ Control Unit）。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。中央處理器主要包括運算器（算術邏輯運算單元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速緩沖存儲器（Cache）及實現它們之間聯系的數據（Data）、控制及狀態的總線（Bus）。它與內部存儲器（Memory）和輸入/輸出（I/O）設備合稱為電子計算機三大核心部件。

　　本文主要介紹繼電器是如何組成cpu的，具體的跟隨小編一起來了解一下。

　　一、從電池、開關和繼電器開始

　　上圖左上角是一個很普通的電路，由電池、開關電流表和燈泡組成。這個是初中物理學過的。上圖右上角是對左上角電路的簡單變形，用VCC代替了電池，用接地符號實現了回路。相當于把電池拆開來畫了。電路功能是一樣的。本文此后的電路圖一般都采用VCC和接地表示電源。因為你會發現只有這樣的畫法能夠讓我們方便理解之后的電路圖。

　　然后往下看，第三個電路圖，那個圈圈里圈著個K的藍色的東西，表示的是繼電器。當繼電器左側有電流通過時，右側的電路就斷開；反之則聯通。（對應地，也有那種左側有電流通過時，右側的電路就聯通；反之則斷開的繼電器，稍后會用到）這個電路想讓你知道的是，可以用繼電器實現這樣的功能：控制左側的電路的通斷，即可改變右側電路的通斷。換個方式說，就是左側的電路通斷情況決定了右側的電路的通斷情況。再往抽象了說，就是左側電路代表了“輸入”（Input）這個概念，右側電路代表了“輸出”（Output）這個概念。繼電器則代表了“計算”（或者“算法”、“處理”等）（CPU）這個概念。硬件就是用這種電器設備的固有物理性質提供了最初的計算能力。

　　再往下看第四個電路圖，它和第三個的區別就在于用VCC和接地符號代替了電池。初次看電路，我們有必要經歷一次從電池到VCC和接地符號的過渡。以后的電路圖，我們將直接使用VCC和接地符號，請務必在此處適應這樣的畫法。

　　然后是最下邊這個電路。和第四個電路相比，它用一個“非門”的符號代替了“繼電器、右側電路電源和繼電器的接地”這三個符號。也就是說一個“非門”實際上就是“繼電器、右側電路電源和繼電器的接地”這三個東西的組合，而且畫的時候省略了電源和接地符號。

　　之前在學校里學數字電路，我就是想不明白邏輯門的電源在哪兒，整個電路的通路在哪兒，所以一直學不好。現在有個這個電路圖，感覺一切豁然開朗。

　　二、用繼電器做個與門

　　剛剛我們用繼電器做出了“非門”。可以看到只要用一個繼電器就可以了。與門的電路如下圖所示。

　　與門由兩個繼電器（這兩個繼電器用的都是跟做非門的繼電器通斷情形相反的那種）構成，只有當兩個繼電器左側都通電時，右側電路才能聯通。這樣就實現了“與”的功能。“與門”的符號是一個躺著封口的U形。

　　注：本文里我做的電路圖片都是GIF格式的，你可以在瀏覽器里看到隨著開關的開閉，輸入和輸出電路上的燈泡是如何變化的。每個圖上都有（http://bitzhuwei.cnblogs.com）標識我的博客地址，不過每個GIF圖的最后一幀都去掉了這個標識。這樣，看到一幀沒有標識的時候，就知道下一幀將是GIF圖的第一幀了。

　　三、用繼電器做個或門

　　“非門”、“與門”做出來了，“或門”也就不難理解了，直接上圖大家體會吧。（導線交叉的地方，如果有個紅點，表示是聯通的，否則就是互不相干的）“或門”的符號像一個子彈。

　　四、用繼電器做個異或門

　　“異或門”的功能是：左側的兩個輸入電路一個聯通另一個不聯通時，右側電路聯通；否則右側電路不聯通。這次先畫符號，大家可以先自己嘗試用繼電器畫“異或門”，鍛煉一下思維，然后再向下看答案。

　　答案揭曉！“異或門”的實現如下圖所示。乍看很復雜，其實是有邏輯的。最右邊的兩個繼電器其實是一個“或門”，最左邊兩個繼電器是兩個“非門”，中間兩上兩下共四個繼電器，是兩個“與門”。這樣就好理解了。AB兩個輸入電路為A通、B不通的時候，整個“異或門”會通過下方的路線使燈泡亮；若A不通、B通，則會通過上方的線路使燈泡亮。其他情況燈泡都不會亮。

　　五、振蕩器

　　振蕩器能夠不斷地輸出0、1、0、1、0、1、0、1……這樣的信號。這種東西雖然一時說不上有什么用，不過一定是有用到的時候的。振蕩器做起來也簡單得離譜。看下圖所示電路。

　　把非門的輸出端連到輸入端上。當輸出為1時，輸入也就成了1，那么輸出就得變成0；然后輸入也跟著變成0，這樣輸出又變回了1。循環翻轉無休無止。振蕩器能翻轉多快，就看繼電器的反應有多快了。（現代計算機用晶體管代替了繼電器，晶體管比繼電器翻轉速度快得多，所以能夠得到的頻率更高，計算機的速度更快。而且晶體管比繼電器省電）話說multisim12仿真的翻轉速度也夠可以的，本人截圖也費了不少勁。

　　順便給一個用繼電器做振蕩器的實際應用的例子：上學的時候上下課的鈴聲就是用繼電器做的振蕩器完成的。0101信號用錘子敲打鐵盔表達了出來。

　　六、加法器

　　剛剛約定了，用1和0表示電路的通斷。電路只有通斷這兩種狀態，所以計算機只用0和1來表示數，這就是二進制啊。關于二進制和十進制的內容別人寫得太多了，我就不提啦。要計算兩個多位二進制數的和，可以分別計算各個數位上的結果，而各個數位的計算方法又是相同的，即“被加數+加數=》和的值+進位的值”。這用邏輯門表示如下圖。

　　A和B表示加數和被加數，C表示前一位計算的進位的值，C1燈泡表示本次計算的進位的值，S1燈泡表示本次計算的和的值。我找了半天，也沒在multisim12里找到一位二進制數的加法器件的符號，大家看這個圖就可以了。

　　要計算多位數，把單位數加法器首尾相連就可以了，如下圖所示。這兩張圖是從《穿越計算機的迷霧》中拿來的。如果侵權，請告訴我，不然我就偷個懶不自己畫啦。

　　七、寄存器

　　學匯編的時候聽過這個東西，“寄存”這個詞讓我感覺寄人籬下可憐巴巴的。寄存器的功能是把數據（約定里說的0和1，實際就是電路的通斷狀態）保存下來，以后還可以取出來用。寄存器這東西比之前的器件都復雜，需要一步一步來做。

　　八、R-S觸發器

　　先看下面這個電路，這是各種有存儲功能的器件的基礎。

　　上圖展示的是在R和S開關都斷開的情況下啟動電路得到的結果。《穿越計算機的迷霧》里說這種情況下，哪個燈泡亮是不一定的，就看哪個邏輯門轉的快了。不過我用multisim12仿真的時候，兩個燈泡是在忽亮忽滅不停地閃。這可以說是非正常人類使用R-S觸發器的情況。下面再看看正常人類使用R-S觸發器的情況。

　　R-S觸發器的R是Reset，意思是把Q燈泡重置為0，S是Set，意思是把Q燈泡置為1。可以看到，只閉合S，則Q亮NQ不亮；只閉合R，則Q不亮NQ亮；同時閉合RS，則Q和NQ都不亮；同時斷開RS，則Q和NQ保持剛才的狀態不變。

　　九、D觸發器

　　既然要保存數據，我們就要求只在希望保存某個數據的時候存進去，否則就不理他。所以我們給R-S觸發器加一個新的輸入作為控制端，只有控制端為1的時候才能保存新來的數據。這里也把RS端合并為一個D端，用一個非門實現了只能使R和S有且只有一個開關是閉合的（即要么Q燈泡變為1要么Q燈泡變為0）。

　　D觸發器的符號我也沒在multisim里找到，大家看這個吧。

　　十、上升沿D觸發器

　　我們只希望在某一瞬間把數據存起來，而不是像D觸發器那樣，控制端為1的整個時間端都會保存新數據。（這樣最安全）于是我們在D觸發器基礎上設計了上升沿D觸發器。這個觸發器只在控制端從0變為1的瞬間存儲新數據。是不是很奇妙的設計？

　　上升沿D觸發器使用了兩個D觸發器，再加一個非門，就OK了。平時，我們把要存儲的數據（D開關）放好。然后，當控制端CP為斷開時，圖中上面那個D觸發器是能夠存數據的，但是下面那個存不了。就是說新數據已經到了兩個D觸發器之間的導線上。在控制端CP閉合的瞬間，上面的D觸發器無法再存新數據了，而下面的D觸發器可以存新數據了，那么它存的是哪個新數據？只能是剛剛在兩個D觸發器之間的導線上的數據了。這個瞬間之后，新數據無法通過上面的Ｄ觸發器，自然也就無法保存了。

　　這次我終于在multisim12里找到了上升沿D觸發器的符號。

　　十一、乒乓觸發器

　　這是個有點類似振蕩器的器件。兩者的區別在于，振蕩器是自動地改變輸出，乒乓觸發器是在輸入一個上升沿的時候改變輸出。電路圖如下所示。

　　可以看出，乒乓觸發器其實就是把上升沿D觸發器的非Q輸出端接到了輸入端。很顯然每次存的新數據總是和輸出信號相反。

　　乒乓觸發器可以用來做計數器。計數器有這樣的功能：每收到一個上升沿的信號，就增加1。例如下圖所示的能統計二進制的00000到11111（即0到31）這32個數。計數器的每一位計數器件都是一個乒乓觸發器。燈泡亮表示1，燈泡滅表示0。

　　十二、走馬燈

　　利用上升沿D觸發器還可以做“走馬燈”。走馬燈是每次都讓前面一個燈泡亮的設備，最后一個燈泡亮過之后，又從第一個燈泡開始亮，循環往復。下圖所示電路就是一個有5個燈泡循環走馬的走馬燈。為了在電路剛接通的時候讓第一個燈亮起來，我加了兩個開關S1和S2，大家可以分析一下怎么用S1和S2。這有助于加深體會上升沿D觸發器的功能，并加速對更復雜器件的理解。

　　十三、寄存器

　　能保存5位二進制數的寄存器如下圖所示。其實就是5個上升沿D觸發器并列起來而已。

　　想保存數據的時候，調整好D0、D1、D2、D3、D4五個開關（實際應用的時候就可能是其他電路的輸出導線了），然后斷開再閉合一下控制端的開關S5即可，數據就保存到了5個上升沿D觸發器的Q端。

　　我這里只畫了保存5位數的寄存器，是因為再畫就太大了，在word里圖就看不清楚了。我們知道現在計算機的寄存器已經到32位或者64位了。那就是有32或64個并列的上升沿D觸發器組成一個寄存器。我們也看到了一個上升沿D觸發器需要幾十個繼電器（晶體管），那么一個寄存器就需要上千個繼電器（晶體管）了。而CPU里包含的寄存器、加法器等運算器還有各種控制器，其包含的繼電器（晶體管）數目上百萬也就很好理解了。內存條里的內存也是用上升沿D觸發器和一個門電路組成存儲一位（一個bit，8個bit是一個字節）的存儲結構的，其包含的繼電器（晶體管）數目可想而知有多少。

　　十四、傳輸門

　　下圖所示的傳輸門的作用是：當左邊的“~1G”端輸入為0時，左側的1A4、1A3、1A2、1A1會直接傳輸到右側對應的1Y*，就像一條線直接從1A*連接到1Y*一樣；當左邊的“~1G”端輸入為1時，左側的1A4、1A3、1A2、1A1都不能傳輸到右側對應的1Y*，就像從1A*到1Y*的連線被剪斷了一樣。

　　注：本文里我做的電路圖片都是GIF格式的，你可以在瀏覽器里看到隨著開關的開閉，輸入和輸出電路上的燈泡是如何變化的。每個圖上都有（http://bitzhuwei.cnblogs.com）標識我的博客地址，不過每個GIF圖的最后一幀都去掉了這個標識。這樣，看到一幀沒有標識的時候，就知道下一幀將是GIF圖的第一幀了。

　　傳輸門的原理很簡單，就是在每個1A*到1Y*之間的連線上放個繼電器而已，如下圖所示。（取自《穿》）

　　十五、寄存器

　　在上一篇已經說明了寄存器的原理，這里僅僅是為了說明“74LS194”這個帶有各種無聊管腳的四位寄存器的用法。將“~CLR”、“S1”和“S0”置為1，“SR”和“SL”置為0，然后，“74LS194”就是一個簡單的四位寄存器了。（本人在multisim12.0里只找到了這個靠譜的四位寄存器，湊合用吧。）

　　十六、數值顯示器

　　為了更直觀地看到CPU的運算結果，我們將使用“DCD_HEX”這個東西。它能夠把輸入的“0101”顯示為“5”，把“1010”顯示為“A”。

　　本文還要用一個四位的加法器，直接在下面這個簡陋的CPU里看就好了，不再單獨展示。

　　十七、回到頂部（go to top）

　　一個簡陋的CPU現在一切就緒，可以開始設計CPU了！

　　CPU包括運算器和控制器兩部分。我們首先做出運算器，然后逐步實現控制器，最后感受一下用機器語言編程的過程。本文實現的CPU雖然功能及其簡陋，但是能夠傳達出當前真實CPU的原理。

　　十八、運算器和手動控制器

　　現在我們要做的這個CPU，字長是4位，只能做兩個數的加法。實現了運算器和手動版的控制器的CPU如下圖所示。我們把這個版本稱為version1的CPU。

　　上圖中，“Add”是加法器，能執行兩個4位數的加法運算。“RA”和“TR”是寄存器，“GAA”和“GBA”是傳輸門。“4”“3”“2”“1”用來準備需要相加的數據（0到15），“KTR”“KRA”“KGA”“KGB”是用來控制傳輸門通斷和寄存器脈沖的開關。

　　在上圖所示的GIF動畫中，顯示了“5+1+2+4”這個過程。這個過程可以分為4個步驟：①加載一個數值（Load）；②加上一個數值（Add）；③加上一個數值（Add）；④加上一個數值（Add）。具體來說，每一個步驟要做的事情是：

　　十九、指令內容

　　加載一個數（Load）準備數據（0101）; KGB↓， KGA↑; KRA↓↑

　　加一個數（Add）準備數據（0001）; KGB↓， KGA↑; KTR↓↑; KGA↓， KGB↑; KRA↓↑

　　加一個數（Add）準備數據（0002）; KGB↓， KGA↑; KTR↓↑; KGA↓， KGB↑; KRA↓↑

　　加一個數（Add）準備數據（0004）; KGB↓， KGA↑; KTR↓↑; KGA↓， KGB↑; KRA↓↑

　　你可以看到，每次執行（Add）這一步，要做的事情（搬動開關）是一樣的，規律性極強。這意味著可以用簡化的方式控制“KTR”“KRA”“KGA”“KGB”這幾個開關的狀態。經過簡化的CPU就有一定的自動化控制的性質了，如下圖所示。我們把這個版本的CPU稱為version2的CPU。

　　Verison2要比剛才的verison1進化了一些。為便于理解，我們保留原來的“KTR”“KRA”“KGA”“KGB”這四個開關（把它們挪到了右上角，因為實在沒地方放了），但讓它們永遠保持閉合的狀態。這是想說明：version2里新增的電路只是實現了更加自動化地控制“KTR”“KRA”“KGA”“KGB”的開閉，它沒有改變version1中電路的工作流程。

　　Version2中的“KLoad”和“KAdd”開關分別代表了“Load”和“Add”這兩個指令。當“KLoad”閉合時，表示CPU要進行加載操作，這會把“4”“3”“2”“1”上的數據存入寄存器“RA”；當“KAdd”閉合時，表示CPU要進行相加操作，這會把“4”“3”“2”“1”上的數據與“RA”當前的數據相加，然后相加的結果又存儲到“RA”。

　　Version2中的“K0”和“K1”兩個開關會依次的開閉，即兩者總有一個是斷開且另一個是閉合的（若出現其它情況那就是電路設計錯了）。所以實際上“K0”和“K1”可以用一個“2位循環移位寄存器”代替。（為便于理解，仍然保留“K0”和“K1”這兩個開關，只不過讓它們永遠保持閉合的狀態）

　　Version2中，只需重復“準備指令，準備數據，執行指令（K↓↑↓↑）”這樣的操作，就能完成version1中的控制功能。這需要一個從“KLoad”“KAdd”“K0”“K1”到“KTR”“KRA”“KGA”“KGB”的轉換電路，即version2電路圖中的上半部分，如下圖所示。

　　這需要一點點設計邏輯電路的知識，本文直接列出真值表，據此即可畫出轉換電路。（想知道如何推導的話，請查閱《穿》或者數字電路類書籍）

　　KloadKaddK0K1KGAKRAKTRKGB

　　10101100

　　01101010

　　01010101

　　其中“KLoad”“KAdd”“K0”“K1”為輸入，“KTR”“KRA”“KGA”“KGB”為輸出。只有如上三種輸入情況下，輸出部分會有1；其它的輸入情況下，輸出全部為0，所以就不需要列出來了。

　　舉個例子，“KGA”=“KLoad”“~KAdd”“K0”“~K1” + “~KLoad”“KAdd”“K0”“~K1”=（“KLoad” ⊕“KAdd”）“K0”“~K1”，據此可以畫出“KGA”的轉換電路。

　　在version2中，CPU要做的就是重復“準備指令，準備數據，執行指令（K↓↑↓↑）”這件事。其中執行指令這一步是完全重復完全自動化的（只要用振蕩器替換K就可以），而準備指令和準備數據還需要手工操作。每次要執行哪個指令、要準備的數據是多少，這都是沒有規律的，可改進的方法就是：把指令和數據按順序保存到一些特別的寄存器里，需要的時候取出來用。這些特別的寄存器，就是內存。

　　二十、內存

　　所謂飯前便后要洗手，一個完整的衛生間，除了有若干坑位，還得有洗手池配套。類似的，學習CPU的結構原理，也得把“內存”牽出來溜溜，否則無法說明計算機編程的本質。CPU+內存才是一個完整的計算機（核心），才能展現出CPU的功能。由此也能聯系到，將鼠標鍵盤顯示器等稱為“外部”設備的道理。

　　最基本的內存單元能夠存儲和讀寫一個位（bit），是由一個上升沿D觸發器和傳輸門組成，如下圖所示。傳輸門電路我沒有找到只有一位的，拿這個四位GAA的湊合看吧。

　　內存單元的符號如下圖所示。（取自《穿》）

　　把8個bit單元的讀寫端分別連起來，就可以存儲一個字節（8bit）。下圖是能夠存儲5bit的內存單元。（取自《穿》）此圖所示的結構，我們稱之為“一層”。

　　存儲4bit的一層的符號如下圖所示。這時我學會了multisim12里的“層次塊”這個東西，下圖就是用層次塊畫的，這樣可以將復雜的電路封裝起來，省地方了，還能復用。所以說模塊化的思想在硬件設計里就有了。（“用層次塊替換…”和VS里的“Extract Method…”功能是何其類似！）

　　用一層一層的內存單元，即可構成存儲器。對于有8層的存儲器，需要3個bit表示需要讀寫的層數（23=8）。地址譯碼器的作用是：輸入101時，輸出的第5個（從0開始計數）引腳為1，其余均為0。有了地址譯碼器，存儲器對外只需很少的地址線（例如10根）即可使用很多層（例如1024層）。這也符合了軟件設計中接口盡可能簡單的原則。本文所用的RAM存儲器的結構如下圖所示。其中左邊的“3-8translator”就是譯碼器。

　　其層次塊符號如下圖所示。

　　這個RAM有三條地址線（Addr3、Addr2和Addr1），能夠表示23=8個字（層），每個字的長度是4bit。這個小小的RAM剛好夠存儲（5+1+2+4）這個示例的指令和數據，下面就用這個RAM繼續進化CPU。

　　這里也順便把“3-8translator”譯碼器的電路實現貼出來吧，如下圖所示。

　　二十一、9位循環移位寄存器

　　在version2里用的“2位循環移動寄存器”只需要一個乒乓觸發器（詳見上一篇）就可以了，但是后面要做的全自動控制器，需要一個“9位循環移位寄存器”，且這個寄存器要在加電時自動將第一個輸出管腳置為1，其余為0。具有這樣的功能的寄存器如下圖所示。

　　如上圖所示，第二行有4個D↑觸發器，其中最左邊的那個負責第一個輸出管腳，即應該在加電時就置為1的那個管腳。這是通過左下方的電路實現的，其原理大家自己琢磨吧，無非是利用反饋電路實現了只生效一次這個功能而已。“9位循環移位寄存器”的符號如下圖所示，其中“D0”是第一個輸出管腳。

　　還有一個3bit的計數器，在上一篇里已經提過計數器，這里直接上圖。

　　其層次塊表示如下圖所示。

　　二十二、自動控制器

　　有了內存，我們就要把指令和數據存進去。存儲數據很好理解，是多少就寫入多少。存指令之前，我們需要為每條指令分配一個4位的編碼，比如0000表示Load，1111表示Add，然后用這個指令碼控制“KLoad”和“KAdd”的開閉，所以這又是一個轉換電路。有了這個轉換電路，就可以只用“K”開關來完成“準備指令、準備數據、執行”這些操作了。全部自動化的CPU如下圖所示。我們將這個版本的CPU稱為version3的CPU。

　　這里的“ALU”是用層次塊表示的version1里的電路，因為不這樣的話，電路太大，而且不容易重點突出自動控制器的工作流程。同樣的，“ShiftRegister9bit”、“Translator”、“Counter3bit”、“RAM8F4bit”都是層次塊表示的電路。

　　“ShiftRegister9bit”會依次將輸出端置為1，這可以從上方的三個數值顯示器看出來。“Counter3bit”是3bit的計數器。“RAM8F4bit”是8層（每層4bit）的內存。“Translator”實現了控制信號的自動控制，“Translator”的內部實現如下圖所示。

　　Version3所示的下半部分展示了譯碼電路，即把代表指令的4bit信號轉換為指令信號的電路。由于我們指定Load和Add指令的代碼（0000和1111）都是很規則的，所以譯碼電路也比較簡單，如下圖所示。

　　Version3的CPU用“9位循環移位寄存器”等器件實現了“取指令、分析指令，取數、執行”的全部自動化，其中取指令、分析指令、取數、執行分別占用了移位寄存器的t0- t2、t3、t4-t6、t7-t8這9個階段。

　　注：如果用振蕩器替換了“K”，這個CPU會不停地運轉下去，這樣就得不到我們想要的結果0xC（十進制的12）了。所以還需要添加“停機”指令。不過到這里已經說清了CPU的控制器是如何一步步實現自動化的，不再繼續講述如何添加新的指令。

　　二十三、最原始的機器語言編程

　　在給出上文的自動控制器里，我們只說了從內存里取指令和數據，而沒有說這些指令和數據是如何寫進去的。其實寫進去的過程就是（機器語言）編程的過程。最簡單的，你可以用撥動開關的方式，調整好要寫入的位置，再調整好要寫入的數值，把指令和數據一個字一個字地寫入內存。最初的計算機編程就是用類似這樣的方式（打孔紙帶）編程的。（這個過程實在無聊，本文就不展示了，有興趣的話自己拿multisim玩玩就好~）

　　用助記符和一些宏來代替機器碼，這就是匯編語言。用C語言這種方式封裝了匯編語言的編程方法，就是面向過程編程。用C++\C# \Java這樣的語言封裝了面向過程的語言，就是面向對象的編程方法。用if（。。）{…}代替JMP指令這種東西比較容易想象，但用“封裝繼承多態”這種飄渺的概念代替面向過程編程就有點困難了。我在另一篇文章《用C表達面向對象語言的機制——C#版》中作了分析和總結，現在終于算是從繼電器一路走到面向對象編程了。