前言

现代计算机已经发展的非常复杂，要理解计算机的运行原理都已经变得异常艰难，虽说我们无法亲自去制造他，但我们可以了解下计算机系统是怎么从0发展而来的。

逻辑门

逻辑门是计算机的基础元件，通过它可以完成逻辑运算（也称布尔运算），这类运算输入输出都只有0和1。

与门

执行“与”操作，两个输入一个输出，只有当两个输入都为1时输出才为1，其它情况都为0。

或门

执行“或”操作，两个输入一个输出，只要两个输入其中一个为1输出就为1。

非门

执行“非”操作，一个输入一个输出，取输入信号的对立信号。

通过以上三种基本的逻辑门就能实现所有逻辑运算，计算机的本质就是由这三种基本门实现，通过成千上万个逻辑门实现计算。

加法

加法是所有一切运算的基础，我们看怎么通过前面说到的逻辑门实现加法运算。计算机与人类的计算方式不同，人类常用十进制，而计算机擅长用二进制，计算机计算时以二进制进行。

异或门(XOR)由三种最基础的门组合得到，异或门结构如下。

简记为，

组合成半加器，如下，

记为，

半加器只能处理两个二进制一位数的相加，并且不能处理前面计算的进位。为了处理进位，可以将两个半加器和一个或门连接，组成全加器，如下，

全加器只能处理三个二进制一位数（其中一位是进位输入）的相加。如果要实现n位二进制数据的相加，就需要使用n个全加器连接起来。

之所以说加法是一切运算的基础，是因为数学家已经证明了能通过加法能实现其它运算，比如乘法、除法、平方、开方、对数等等。

机器指令

虽说有了逻辑运算已经能帮助人类完成计算了，但是人类直接这样使用是非常不友好而且低效的，比如要做(11+22+33)+(44+55)操作时，我们需要分别先输入三个数并相加，然后自己手动记录下中间结果，类似地需要将另外一个中间结果记录下来，然后再一次输入两个数执行加法运算。

为了让上述过程能自动化，人类搞来了内存，它可以用来存放数据，可以把内存看成很多块，每块都对应有一个地址，通过地址可以对数据进行存储、读取和修改。这里把相关数据都已放到内存中。

读取000地址的数到加法器
把001地址的数加到加法器
把002地址的数加到加法器
把加法器的数保存到003地址指向位置
读取004地址的数到加法器
把005地址的数加到加法器
把加法器的数保存到006地址指向位置
读取003地址的数到加法器
把006地址的数加到加法器
停止加法器。

这个过程涉及到四个操作，读取(load)、保存(store)、加(add)和停止(halt)。并且也可以对这些操作进行编码，比如可以分别用100、101、102、103表示。上述过程可用下面指令操作。

load 000
add 001
add 002
store 003
load 004
add 005
store 006
load 003
add 006
halt

对应指令编码为，

有了如上指令，将它们保存到内存中，这样计算机就能够一条条往下执行，不需要人工介入，直到运行到停止指令才结束，整个过程实现自动化。

以上以加法运算过程简单介绍指令运算过程，而真正的计算机需要更多的指令集，这也需要更多的硬件来支持。对于计算机系统的指令集的设计有两种思路：①设计精简的指令集，然后复杂的计算通过编程实现。②设计复杂的指令集，直接通过硬件实现复杂的指令，这种运算速度更快，但增加了硬件的复杂度和成本。

寄存器

实际硬件设计中，因为计算过程中经常涉及到一些常用的数进行操作，于是专门设计了寄存器用来对需要中转的数据进行暂存，这类暂存方式速度远超内存方式，速度很快以至于能够很好匹CPU的执行。类似于前面加法器将计算结果保存在加法器中。

下面两张图第一张体现不同存储直接的速度比较，第二张是一些指令例子。

编程语言

通过逻辑门的设计和并实现各类运算指令，这样一个计算机系统就设计完成了。计算机运行时就能通过读取存放在内存中的程序指令，然后执行各种计算和操作。

类似100 000的机器指令对于人类来说很难记住，于是就被编码成人类容易记住的形式，比如load 000，即汇编语言。但汇编语言对人类可能还不够友好，比如下面，

左边的是高级语言C语言，而右边的是汇编语言，可以看到虽然汇编已经比机器语言方便很多了，但是如果比起高级语言，汇编还是太麻烦低效，这也是高级语言诞生的原因。

这样一来引入了高级语言，同时也需要额外的一个编译器将高级语言翻译成汇编语言。那么整个过程就为：高级语言->汇编语言->机器指令->CPU执行。

操作系统

从逻辑门到编程语言的计算机系统干的事都是计算，加减乘除等，假如单单只能用来做计算估计就不会有这么多人沉迷电脑，所以随着计算机的发展它有了屏幕，有了各种音频输入输出，有了键盘鼠标，这样计算机就能做更多事情，比如游戏电影。

给计算机系统增加了这么多设备，要与这些设备交互就需要各种驱动程序，为方便将它们连接起来协同工作，出现了操作系统，通过操作系统能将底层的硬件不同实现屏蔽掉，而且它还提供了很多的系统调用来实现各种功能。

总结

以上介绍了计算机的相关原理。从逻辑门到机器指令，再到寄存器，再到编程语言，最后到操作系统，计算机系统从0发展成如今超级复杂的系统。

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