為甚麼 CPU 能實現這麼複雜的功能

看完你再也不會覺得CPU是黑科技 首先給大家敲死一個核心 CPU裏最基礎的單元叫晶體管 它本質上就是一個用電壓控制的 能瞬間開關的電子水龍頭 我們把晶體管簡化到極致 它就四個關鍵部分 兩邊的圓極漏極相當於水龍頭的進水口和出水口 中間的溝道相當於水龍頭的水管 決定水流能不能過 蓋在溝道上 和溝道隔離一層絕緣材料的山脊 相當於水龍頭的開關把手 控制溝道的通斷 電流能不能從進水口流到出水口 全看山脊給的電壓 這裏我們只需要記住兩種晶體管 它倆特性完全相反 卻是CPU的核心基石 第一種是N型晶體管 就是正常的水龍頭 給山脊加高電壓 我們計爲1 溝道就導通 電流隨便流 相當於開水龍頭 給山脊加低電壓 計爲0 溝道直接斷開 電流完全流不過 相當於關水龍頭 第二種是P型晶體管 是個反着來的水龍頭 給山脊加1 高電壓它反而關死 給山脊加0 低電壓它纔會打開 到這裏大家記住兩個關鍵點 晶體管只有開關兩種狀態 正好對應計算機裏的0和1 這就是二進制的物理基礎 N管和P管特性完全相反 把它倆配成一對 就能實現所有的邏輯運算 最基礎也最經典的組合 就是反向器飛門 它是所有CPU運算的起點 結構特別簡單 把一個P型晶體管 接在一幅電源上 放在上層 一個N型晶體管 接在0幅地線上 放在下層 然後把它倆的山脊連在一起 當成輸入端 中間連起來的部分 當成輸出端 它的工作原理一眼就能懂 如果輸入端給一幅高電壓 P管直接關死 N管完全打開 輸出端就和地線連通 輸出0 如果輸入端給0幅低電壓 N管直接關死 P管完全打開 輸出端就和電源連通 輸出1 輸入1就輸出0 輸入0就輸出1 正好反過來 所以叫反向器 別看它結構簡單 你CPU裏所有的運算判斷 全是從這個小小的組合延伸出來的 而且這個設計還有個天大的好處 不管是開還是關 P管和N管永遠有一個是關死的 電源和地線之間 永遠不會直接連通 幾乎不耗電 這就是我們常說的CMOS電路 你手機能續航一整天 全靠這個核心設計 第二部分 從開關到邏輯門 晶體管怎麼拼成彙算的積木 單個的晶體管 就像樂高積木裏的一個凸點 單獨拿出來啥用沒有 但把幾個晶體管 按不同方式拼在一起 就能做成一個個標準的功能積木塊 我們叫它邏輯門 除了剛纔說的反向器CPU裏 最常用的還有三種邏輯門 邏輯特別好懂 第一種叫做語門 只有兩個輸入端全是1 輸出纔是1 只要有一個是0 輸出就是0 這就是語邏輯 第二種叫做或門 只要兩個輸入端有一個是1 輸出就是1 只有兩個全是0 就像你家的玄關燈 門口開關和客廳開關 隨便按一個就能開燈 這就是或邏輯 第三種叫做易或門 兩個輸入端不一樣 輸出纔是1 兩個輸入端一樣 輸出就是0 兩個信號不一樣才觸發 這就是易或邏輯 這些邏輯門就是CPU能做運算 做判斷的核心 比如兩個二進制數相加 本質上就是用幾個易或門 和與門拼出來的加法器 而更復雜的乘法 除法 也全是用這些基礎邏輯門 一層層拼出來的 到這裏你應該能看懂 CPU的搭建邏輯了 它就是一層一層往上拼的 和樂高積木完全一樣 最底層是由晶體管拼成的邏輯門 到了第二層 邏輯門拼成加法器 乘法器 這些有特定功能的模塊 我們叫它紅單元 到了第三層 多個紅單元拼在一起 就成了IP核 比如專門做運算的算術邏輯單元 ALU 專門存數據的寄存器 專門翻譯指令的解碼器 到了第四層 多個IP合拼在一起 就成了一個CPU核心 最終多個核心 再加上高速緩存 顯卡 內存控制器 這些模塊就拼成了 你電腦手機裏那顆完整的CPU 很多人以爲CPU就是個計算器 其實不對 它更像一個手腳馬力 記憶力超強 算的還飛快的全能管家 我們用一個所有人都能懂的比喻 把CPU的工作流程講透 這也是CPU能跑起來的核心 你電腦裏的固態硬盤 就是一座超大圖書館 裏面存着成千上萬本書 每一本書就是一個程序 書裏的內容就是一條條指令 和對應的數據 內存就是圖書館門口的小推車 你要用哪幾本書 先從圖書館搬到推車上 因爲推車離你更近 拿取更快 CPU裏的高速緩存 就是你面前的書桌 只能攤開幾本書 但是伸手就能拿到 速度比推車還快得多 CPU裏的寄存器 就是書桌上的草稿紙 只能寫幾行數字 但是隨寫隨用 速度是最快的 CPU的核心有兩個部分 一個是算數邏輯單元ALU 等於書桌上的計算器 只負責做加減乘除和邏輯判斷 另一個是控制器 也就是全能管家 全程負責調度所有東西 而你打開APP刷視頻 玩遊戲的全過程CPU 從頭到尾 只在永不停歇的循環做三件事 一秒鐘能循環幾十億次 這就是CPU的核心運行機制 取紙 一碼 執行 第一步是取紙 管家先看一眼草稿紙上 專門記頁碼的程序計數器 知道現在該看第幾頁的第幾條指令 然後從書桌的緩存裏 把這條指令拿過來 放到專門的指令寄存器裏 同時把頁碼加一 準備拿下一條指令 第二步是一碼 管家把這條指令拿給一碼器 翻譯一下這條指令到底要幹嘛 是要從草稿紙裏拿兩個數字 還是要讓計算器做加法 還是要把算出來的結果存回草稿紙 還是要跳轉到另一頁執行新的指令 第三步是執行 翻譯完了 管家立刻發號施令 讓對應的模塊幹活 要算加法 就把兩個數送到ALU裏算完 要存數據 就把結果寫到對應的寄存器裏 要跳轉頁面 就把程序計數器的頁碼 改成目標頁碼 直接跳過去執行 就這麼簡單的三步 循環往復 永不停歇 你刷視頻的時候它在循環 你玩遊戲的時候它在循環 哪怕你手機熄屏了 它還在以每秒幾十億次的速度循環 你可能會驚訝 就這麼簡單的三步 怎麼能實現這麼複雜的功能 其實你玩的3A大作 甚至現在看的這條視頻 本質上都是由幾百幾千萬條 這樣的基礎指令組成的 就像再複雜的小說 也是由一個個漢字組成的一樣 而現代CPU之所以這麼快 就是因爲它把這個循環 做成了工廠流水線 第一條指令在執行的時候 第二條已經在溢碼了 第三條已經在取值了 同一時間能處理好幾條指令 效率直接拉滿 甚至一顆CPU裏有8個16個核心 相當於同時有16個管家在並行幹活 速度當然會翻倍 講到這裏你應該就完全懂了 CPU的工作原理 它的底層是上百億個 能瞬間開關的晶體管 晶體管拼成邏輯門 實現最基礎的邏輯判斷和運算 邏輯門一層一層拼成各種功能模塊 最終組成一顆完整的CPU 而CPU的工作就是永不停歇的 重複 取值 溢碼 執行這三步 把你寫的代碼 點的每一下操作 變成屏幕上你能看到的一切 你現在能看到這條視頻 聽到我的聲音 就是這上百億個納米級的開關 在你的設備裏 以每秒上百億次的速度 完成了無數次的開關 運算 調度 最終才呈現在你的眼前 而這就是支撐起整個數字世界的 最底層的浪漫