CPU的工作原理1——为什么芯片只能识别二进制

我们可能都听说过这样的话：“CPU是计算机的大脑，所有运算都在这里完成”，“CPU是由数十亿个晶体管组成的”，“CPU只能识别二进制，类似于1001101100这样的数据”，“所有的编程语言最终都会被转换为二进制进行处理，因为CPU只识别二进制”……。时间久了，我们会把这些话当做约定俗成的公理来看待，很少思考这是为什么。

我有着20年编程经验，虽然日常工作中使用编程解决各类问题在我看来都是信手拈来，但有几个问题一直困扰我，CPU为什么能识别二进制？它的工作原理是什么？数十亿个晶体管起到什么作用？这些问题不明白虽然不会影响我的生活、工作，但会让我无法全面认知计算机运行的原理，总感觉缺少点什么，接下来我就带着大家一起看看CPU是如何工作的。

先来看CPU的构成，其实不只是CPU，也包括GPU、NPU……等等所有的芯片都是一样的，他们都是由很多个“开关”组成的，对，就是开关，你没看错！

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就好像家里的水龙头，打开，水流出来，关上，水没了。当然芯片里不是真的有水龙头，只是个比喻。早期的计算机使用的是继电器开关，在一些工业电气设备中还能看到这种器件。
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典型的外观就是一大卷铜线，旁边有几个弹簧片，弹簧片上有金属触点，当铜线圈通电时会产生磁场，吸引弹簧片产生位移，从而使金属触点连接或断开，本质上说就是一个开关，只不过它控制的是电流，而不是水流。

后来人们发现这种继电器开关故障率太高，哪怕是一只虫子爬进去，也可能造成开关短路，软件编程中的“bug”一词就来源于此。所以人们又研究出了电子管开关，这种开关摒弃了机械运动部件，故障率大大降低。

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现在逛一些旧家电市场，可能还会看到使用老式电子管的收音机。但电子管由于体积大，功耗高，后来基本被晶体管替代了，除了一些专业领域，比如音响功放，因为电子管制成的功率放大器可以保证高品质的原声，所以音响发烧友，都会以拥有一台优质的电子管功率放大器为荣。

最后我们看看晶体管，它也是一个电流开关，相较于电子管，它可以做得非常小，功耗非常低，所以现在的芯片都是基于晶体管开关的。

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当然这张图片是普通的晶体管，并不是芯片中微型晶体管的样子，晶体管可以比较大，在一些家用电器的电路板上经常能看到这样的东西，外观样式很丰富。同时也可以做的非常小，在一个指甲盖大小的区域里能集成上百亿个晶体管。

我们说过晶体管就是一个开关，类似于水龙头，水龙头控制的是水流，之所以打开开关，有水流出，是因为有水压的存在。

同样晶体管开关控制的是电流，之所以打开开关，有电流通过，是因为有电压的存在。我们用这个符号来表示一个晶体管开关。

上面是控制端，相当于水龙头的开关，当控制端施加一个高电位（可以简单理解为有电），输入端和输出端之间的通道打开，电流由输入端流向输出端。如果控制端是低电位（相当于没电），通道关闭，输出端没有电流流出。为了描述方便，我们使用0代表没电，1代表有电，一个晶体管开关会形成下面二种状态：

也就是控制端有电（1），输出端就有电（1），控制端没电（0），输出端没电（0）。所以一个晶体管开关只能有二种状态，要么是1要么是0，而1和0就是二进制，这也就是CPU只能识别二进制的道理。

本节我们介绍了芯片为什么只能识别二进制，下节开始我们会介绍由多个晶体管开关组合形成的基本门电路，若干门电路组合又能形成更复杂的存储电路、运算电路，然后是半加器、全加器……直到形成整个CPU！