10分钟！搞懂计算机CPU实现原理
一、CPU原材料
大家都知道光刻机很屌，那光刻机和我们所熟知的计算机CPU有什么关系呢？其实光刻机的作用就是将理论设计的电路制作到真实的芯片上，所以它不仅仅可以生产我们所熟知的CPU芯片，还有GPU，单片机芯片等。
很多人会说CPU其实就是一把沙子，虽然是开玩笑，但是在某种程度上，也有一定道理。因为沙子含有硅元素，而CPU中主要材料晶体管，就是采用特别纯净的硅材料上制造而成的。数千亿计的晶体管组成了我们所熟知的CPU芯片。
二、CPU内部电子门路
那问题来了，晶体管到底是用来做什么的，数量庞大的晶体管组成集成电路，为什么可以满足我们刷短视频，微信聊天呢？它最底层逻辑是什么？ |
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我先来简单地介绍一下，很多人经常吹嘘说：计算机底层其实就是0和1。哈哈，虽然很直白，但是某种意义上来说，确实是这样的。这和计算机最底层的元器件有关系，也就是我们今天要说的CPU，因为CPU是由海量的晶体管，组成的集成电路，每一个晶体管都可以表示高压和低压。
2.1 晶体管
晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，所以它具备半导体的特性，那半导体有什么作用呢？为什么可以作为CPU的组成材料呢？这里我们先从它的特性说起。
晶体管（transistor）是一种固体半导体器件（包括二极管、三极管、场效应管、晶闸管等），它具有检测、整流、放大、开关、稳压和信号调制等多种功能。
半导体是介于导体和绝缘体中间的一种东西，它的特性很有意思，如下图所示：
电流只能从正极流向负极，反过来却不行。有同学就会问，这有什么用呢？很有用，我们可以借助这个特性，设计出各种电子门路，比如【与门】、【或门】、【非门】、【异或门】等各种门路，有了这些门路之后，我们就可以设计出加法器、乘法器等。通过基础器的组合，我们就可以构建出，各种复杂的计算器出来，进而实现CPU日常强悍的功能。 |
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2.2 门路实现
下面我们简单的来说一下，半导体是如何实现【与门】的，我们来看下面这个图：
这是采用半导体组成的【与门】，也就是当A和B都是1的情况下，Y才会是1，其它都是0。
A电压 | B电压 | Y电压 |
|---|---|---|
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 |
因为复杂的运算器，都是由大量的门组成，如果每个都要把电路图画出来，非常不美观而且也复杂，所以我们可以采用一些特殊的符号来表示这些门，如下所示：
2.3 运算器实现
有了这些门之后，我们就可以实现各种复杂的运算器了，下面我们来看看最简单的半加器是怎么实现的。
通【异或门】+【与门】我们就可以实现一个最简单的半加法器，如上图所示，如果A和B都是1的情况下，S为0，C为1，就变成10，这就可以实现一个最简单的半加法器了。
但是这还不算是完成的加法器，因为如果要实现1+2（十进制），也就是01+10（二进制）的时候，就无法胜任了。所以我们对半加器做一下改进，如下图所示：
通过3个输入+2输入的形式，就可以实现01+10（二进制），最后通过多个加法器的组合，我们就可以实现任意位的加法器了。
三、CPU内部架构
CPU最核心的运算器实现我们介绍完了，CPU作为计算机组成中最强大的核心部件，肯定不可能只有运算器这个功能，实际上它的组成架构非常复杂，所以我们主要介绍它的核心架构功能，我们先来看如下一幅图。 |
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从上图我们可以看出，CPU是由运算器（单元）、控制器和存储器组成。
3.1 运算器
顾名思义，运算器负责执行由控制器发出的命令，具体执行加减乘除之类的运算。
3.2 存储器
存储器是用来存储指令需要用到的数据，这边的存储器和我们大家所熟知的内存不一样。CPU的存储器是由寄存器组成，存取速度比内存快很多，但是容量和价格方面也贵得多。
3.1 控制器
CPU执行的指令是一条条的，但是我们应用程序在执行过程中，实际是有顺序的。这就要求我们保证，指令在执行的时候，要按照一定顺序进行，控制器的核心作用就是这个。
然后还需要通过总线和内存进行交互，将CPU所需要用到的数据，缓存到CPU缓存寄存器中，这是因为CPU运算速度特别快，比如是1纳秒，而内存的读取速度很慢（相对CPU运算速度），是100纳秒，那CPU就需要等待99纳秒，这个是完全不能容忍的，所以就需要将CPU指令用到的数据，先缓存到寄存器中，这样可以大大提高CPU运算效率。
当然实际CPU不可能这么简单，我们只是做了最简单的概括，因为目前的CPU都是多核的，所以不管是控制器还是运算器都是非常复杂，里面会包含很多更细的部件，比如预解码、解码、指令融合、指令重排等，非常多的模块。 |
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四、复盘总结
在学习整个CPU的组成原理之后，大家会发现，最最核心的其实不是CPU本身，而是基础学科物理。因为CPU最底层的门路设计，需要基于物理学的电流、电压相关知识，如果没有这部分理论支持，那我们永远没办法发明出计算机出来。这也是任正非先生所说的，我们最需要大力发展的不是某一项技术，而是最底层的基础学科。