cpu工作原理

CPU⼯作原理：最简单的元器件，构成了最复杂的运算

我们都知道，⼈类进⾏运算的本质是查表，并且我们存储的表是有限的。那么，计算机是怎样进⾏四则运算的呢？也是

查表吗？答案肯定不是！今天，我们就来说说CPU是如何计算1+1的。

现代计算机⼜叫电⼦计算机，肯定是由电路和电⼦元件来实现的。我们都知道，⼀台计算机的核⼼就是处理器

（CPU），它的职责就是运算。CPU是⼀块超⼤规模的集成电路，我们要想弄清楚计算机的运算机制，就要了解集成

电路是如何具有运算能⼒的，⽽集成电路是由⼤量晶体管等电⼦元件封装⽽成的。

所以，探究计算机的计算能⼒，先要从晶体管的功能⼊⼿。

晶体管如何表⽰0和1

从第⼀台计算机到EDVAC，这些计算机使⽤的都是电⼦管和⼆极管等元件，利⽤这些元件的开关特性实现⼆进制的计

算。然⽽电⼦管元件有许多明显的缺点。例如，在运⾏时产⽣的热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体

积庞⼤，这些都使计算机发展受到限制。于是，晶体管开始被⽤来作计算机的元件。

晶体管利⽤电讯号来控制⾃⾝的开合，⽽且开关速度可以⾮常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。使⽤了晶体

管以后，电⼦线路的结构⼤⼤改观，进⼊了晶体管为代表的第⼆代电⼦计算机时代。

1947年贝尔实验室的肖克利等⼈发明了晶体管，⼜叫做三极管。下图是晶体管的电路符号。需要说明的是，晶体管有很

多种类型，每种类型⼜分为N型和P型，下⾯图中的电路符号就是⼀个N型晶体管。

晶体管电路有导通和截⽌两种状态，这两种状态就可以作为“⼆进制”的基础。从模电⾓度来说晶体管还有放⼤状态，但

是我们此处考虑的是晶体管应⽤于数字电路，只要求它作为开关电路，即能够导通和截⽌就可以了。

如上图所⽰，当b处电压>e处电压时，晶体管中c极和e极截⽌；当b处电压

是⼀个简化说明，实际上从模电⾓度分析，导通和截⽌的要求是两个PN节正向偏置和反向偏置，还要考虑c极电压。但

在实际的数字电路中，e极电压和c极电压⼀般恒定，要么由电源提供、要么接地，所以我们可以简单记为“晶体管电路

的通断就是由b极电压与恒定的e极电压⽐较⾼低决定”。

换句话说，这个三极管的b极电压相对e极为低电平时三极管就会导通，相对e极为⾼电平时三极管就会截⽌。从这⾥可

以看出，晶体管的导通与截⽌这两种状态对外可以使⽤b极电压的相对⾼低来表⽰，进⽽说明了我们可以使⽤⾼电平或

者低电平状态来表⽰⼆进制。也就是说b极是⼀个输⼊量（⾃变量），可以作为变量存储两个数值：⾼电平或低电平；

相应的输出值（因变量）就是电路实际的变化：导通或截⽌。

就上⾯这个N型晶体管⽽⾔，⾼电平截⽌，低电平导通。假如此时，我们把⾼电平作为“1”，低电平作为“0”。那么b极输

⼊1，就会导致电路截⽌，如果这个电路是控制计算机开关机的，那么就会把计算机关闭。这就是机器语⾔的原理。

实际⽤于计算机和移动设备上的晶体管⼤多是MOSFET（⾦属-氧化物半导体场效应晶体管），它也分为N型和P

型，NMOS就是指N型MOSFET，PMOS指的是P型MOSFET。注意，MOS中的栅极Gate可以类⽐为晶体管中的b极，

由它的电压来控制整个MOS管的导通和截⽌状态。

NMOS电路符号如下图：

PMOS电路符号如下图：

PMOS电路符号如下图：

NMOS在栅极⾼电平的情况下导通，低电平的情况下截⽌。所以NMOS的⾼电平表⽰“1”，低电平表⽰“0”；PMOS相

反，即低电平为“1”，⾼电平为“0”。到了这个时候，你应该明⽩“1”和“0”只是两个电信号，具体来说是两个电压值，这两

个电压可以控制电路的通断。

门电路

⼀个MOS只有⼀个栅极，即只有⼀个输⼊；⽽输出只是简单的电路导通、截⽌功能，不能输出⾼低电压信号，即⽆法表

⽰“1”或“0”，⾃然⽆法完成计算任务。此时就要引⼊门电路了（提⽰：电压、电平、电信号在本⽂中是⼀回事）。

门电路是数字电路中最基本的逻辑单元。它可以使输出信号与输⼊信号之间产⽣⼀定的逻辑关系。门电路是由若⼲⼆极

管、晶体管和其它电⼦元件组成的，⽤以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。这⾥只介绍最基础的门电路：

与门、或门、⾮门、异或门。

1、与门

与门电路是指只有在⼀件事情的所有条件都具备时，事情才会发⽣。

下⾯是由MOS管组成的电路图。A和B作为输⼊，Q作为输出。

例如A输⼊低电平、B输出⾼电平，那么Q就会输出低电平；转换为⼆进制就是A输⼊0、B输出1，那么Q就会输出0，对

应的C语⾔运算表达式为0&&1=0。

2、或门

或门电路是指只要有⼀个或⼀个以上条件满⾜时，事情就会发⽣。

下⾯是由MOS管组成的电路图。A和B作为输⼊，Q作为输出。

例如A输⼊低电平、B输⼊⾼电平，那么Q就会输出⾼电平；转化为⼆进制就是A输⼊0、B输出1，那么Q就会输出1，对

应的C语⾔运算表达式为0||1=1。

3、⾮门

⾮门电路⼜叫“否”运算，也称求“反”运算，因此⾮门电路⼜称为反相器。下

⾯是由MOS管组成的电路图。⾮门只有⼀个输⼊A，Q作为输出。

例如A输⼊低电平，那么Q就会输出⾼电平；转换为⼆进制就是A输⼊0，那么Q就会输出1；反之A输⼊1，Q就会得到

0，对应的C语⾔运算表达式为!0=1。

4、异或门

异或门电路是判断两个输⼊是否相同，“异或”代表不同则结果为真。即两个输⼊电平不同时得到⾼电平，如果输⼊电平

相同，则得到低电平。

下⾯是由MOS管组成的电路图。A和B作为输⼊，Q作为输出。

例如A输⼊低电平、B输⼊⾼电平，那么Q输出⾼电平；转换为⼆进制就是A输⼊0，B输出1，那么Q就会输出1，对应的

C语⾔运算表达式为0^1=1。

通过这些门电路，我们可以进⾏布尔运算了。

半加器和全加器

通过门电路，我们可以进⾏逻辑运算，但还不能进⾏加法运算。要进⾏加法运算，还需要更复杂的电路单元：加法器

（加法器有半加器和全加器）。加法器就是由各种门电路组成的复杂电路。

假如我们要实现⼀个最简单的加法运算，计算⼆进制数1+1等于⼏。我们这时候可以使⽤半加器实现。半加器和全加器

是算术运算电路中的基本单元，它们是完成1位⼆进制相加的⼀种组合逻辑电路；这⾥的1位就是我们经常说

的“1byte=8bit”⾥的1bit，即如果我们想完成8位⼆进制的运算就需要8个全加器。半加器这种加法没有考虑低位来的进

位，所以称为半加。下图就是⼀个半加器电路图。

半加器由与门和异或门电路组成，“=1”所在⽅框是异或门电路符号，“&”所在⽅框是与门电路符号。这⾥⾯A和B作为输

⼊端，因为没有考虑低位来的进位，所以输⼊端A和B分别代表两个加数。输出端是S和C0，S是结果，C0是进位。

⽐如，当A=1，B=0的时候，进位C0=0，S=1，即1+0=1。当A=1，B=1的时候，进位C0=1，S=0，即1+1=10。这个10

就是⼆进制，换成⼗进制就是⽤2来表⽰了，即1+1=2。到了这⾥，你应该明⽩了晶体管怎么计算1+1=2了吧。

然后我们利⽤这些，再组成全加器。下⾯是⼀个全加器电路图，同样只⽀持1bit计算。Ai和Bi是两个加数，Ci-1是低位

进位数，Si是结果，Ci是⾼位进位数。

如果我们将4个加法器连接到⼀起就可以计算4位⼆进制，⽐如计算2+3，那么4位⼆进制就是0010+0011，下表就是利

⽤加法器计算的值。和普通加法⼀样，从低位开始计算。加数A代表0010，B代表0011。

结果Si：0101，就是⼗进制5，加法器实现了⼗进制运算2+3=5。

结语

现在我们可以想到，CPU的运算单元是由晶体管等各种基础电⼦元件构成门电路，在由多个门电路组合成各种复杂运算

的电路，在控制电路的控制信号的配合下完成运算，集成的电路单元越多，运算能⼒就越强。