低并发编程 ， 周一很颓废 ， 周四很硬核
我和小宇早恋了 ， 我们家住隔壁 。
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一、编码与电路——信号的转换
晚上父母会把手机没收 ， 但我们还想继续聊天 ， 又不敢发出声音 ， 于是我们想到了这个办法...
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我们把所有的中文都用灯泡的亮灭组合来表示 ， 同时约定好每隔一秒读取一次灯泡的状态并记录下来 ， 这是我们的暗号 。
我：亮亮灭灭亮
喜：灭亮亮灭灭
欢：亮灭亮灭亮
你：亮亮亮灭灭
这样 ， 我们虽然没有了手机 ， 依然可以日以继日地聊天 ， 虽然效率很低 ， 但依然很快乐 。
我和小宇就这样在不经意间 ， 将语言转换成为了灯泡的亮灭组合 ， 这个过程叫做编码 。
二、门电路——信号的关联
我和小宇就这样一直秘密保持着通话 ， 直到上了大学 ， 父母再也管不了我们用手机了 。
但这么多年的小灯泡通话 ， 使我们总觉得事情没那么简单 ， 于是我们开始了一些新的探索 。
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我们增加了一个开关 。 此时当两个开关同时闭合时 ， 灯泡才会亮 。
这样两个开关与灯泡之间 ， 不再是之前简单的对应关系了 ， 而是有了逻辑 。
开关的断开与闭合分别对应着电路的断开与连通 。 而小灯泡的不亮与亮 ， 也分别对应着电路的断开与连通 。 那这两者就可以统一 ， 不再依赖于具体的实物表现了 。
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还有 ， 开关的连通与断开 ， 是主动的 。 而小灯泡的连通与断开 ， 是被动的 ， 是结果 。
我们把开关这里的连通与断开称为输入端 ， 把灯泡的连通与断开称为输出端 ， 并且将整个电路都封装在一个图形里 ， 可以得到如下抽象：
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我们决定把这种电路叫做门电路 ，上面这个叫与门 。
为了今后更为抽象的探索 ， 我们将电路连通表示为数字 1 ， 电路断开表示为数字 0 。
我们将这种表示方式称为二进制 。
| 输入 A | 输入 B | 输出 |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
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慢慢地 ， 我们发现了越来越多的玩法 。
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上面这种电路 ， 我把他抽象成如下门电路形状 ， 叫做或门 。
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之后便一发不可收拾 ， 我和小宇设计了越来越多的门电路 ， 我们发现 ， 只要是我们能想到的逻辑关系 ， 都可以设计成对应的门电路 。
三、加法器——信号的计算
十进制数可以转换成二进制数 ， 而二进制数又可以对应到门电路的输入端与输出端 。
于是我和小宇有了一个大胆的想法 ， 能不能设计一个计算加法的电路呢？
我们首先从最简单的一位二进制数相加开始：
0+0=0；0+1=1；1+0=1；1+1=10
变成一张表格如下
| 加数 A | 加数 B | 加和输出 | 进位输出 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 |
经过不懈努力 ， 终于发现这个电路可以由异或门和与门两个门电路组成 。
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这个装置实现了二进制的一位加法 ， 但它并不完美 ， 因为只考虑了这两个数的进位输出 ， 但没有考虑上一位的进位 ， 所以只能叫半加器 。
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如果将前一个进位考虑进来 ， 只需再多一个半加器 ， 并且拼接一个或门即可 。
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此时我们已经建立好了一个完美的一位加法器 ， 并自豪地称之为全加器 。
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全加器做出来之后 ， 无论多少位的加法器就都可以做出来了 ， 只需将全加器逐个拼起来即可 。 我们尝试做一个八位加法器 。
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OK ， 大功告成 ， 有了加法器 ， 理论上就可以实现任何的数学运算了 。
因为我们知道乘法可以转换成加法 ， 除法可以转换成减法 ， 而减法又可以转换成补码的加法 。 现在我们可以自豪地称这个部件为 ， 算术逻辑单元 ALU 。
四、时钟——信号的震荡
我和小宇都非常高兴 ， 终于用电路的方式实现了计算功能 。
但慢慢的觉得没什么意思了 ， 于是我们又突发奇想 ， 设计了如下诡异的电路 。
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当闭合开关 A 时 ， 整个电路联通 ， 开关 B 将会被吸下来 ， 整个电路断开 ， 电磁铁失去磁性 ， 开关 B 又会弹上去 ， 此时电路又联通 ， 开关 B 又被吸下来 。
就这样 ， 开关 B 不断地快速地在开和闭之间循环进行 ， 而我们始终没有去干预这个电路 ， 因此该电路有了自反馈的特性 。
由于开关 B 的来回震荡 ， 我们将这种电路称为振荡器 ， 由于它可以产生不断变化的电信号 ， 就像时钟一样不停且规律地跑着 ， 我们将这个装置又称为时钟 。 它所产生的交替的电信号称为时钟信号 。
五、RAM——保存信号
虽然有了加法器 ， 但是输入的数字从哪里来？能不能先保存在某个地方呢？
我和小宇经过多次实验 ， 发明了一个非常复杂的电路：
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如果输入端为 1 ， 改变"某控制端"信号（信号由 0 变化到 1 这个瞬间） ， 则输出端变为 1 ， 之后输出端仍然保持（存储）着刚刚的 1 。
如果输入端为 0 ， 改变"某控制端"信号 ， 则输出端变为 0 ， 之后输出端仍然保持（存储）着刚刚的 0 。
如果想不明白也没关系 ， 只要记住这个电路的设计 ， 实现了一位的存储功能！我们叫它 1 位锁存器 。
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然后我们把多个锁存器组合起来 ， 再加上一些 3-8 译码器 ， 8-1 选择器等电路 ， 就可以实现一个能保存 8 位二进制的存储器 ， 并且可以随机地读写它 ，我们把它叫做 RAM ， 简称为内存 。
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这个组件通过再次组合 ， 可以形成 N × M 的 RAM 阵列 。 比如我们可以表示一个 1024 * 8 的 RAM 阵列 。
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这表示存储容量为 1024 个单位 ， 每个单位占 8 位 。
为了更方便地表示 ， 我们规定 1024 = 1K ， 8 位 = 1 字节（8 bit = 1 byte） ， 那么我们就可以说 ， 这个 RAM 的存储容量为 1K 个单位 ， 每个单位占 1B 。 或者说 ， 地址空间为 1K ， 存储容量是 1KB 。
此时这个 RAM 模块已经近乎完美了 ， 我们甚至可以单独对其进行使用 ， 将数据存入某个地址 ， 将某个地址中的数据读出 。
怎么方便人操作呢？只需要将地址输入、数据输入、写操作端分别接入一个控制面板 ， 由开关来控制这些信号的输入是 1 还是 0 即可 ， 然后再将数据输出接入一些灯泡方便观察 ， 这样一个单独的可以手动操作的存储装置 ， 就搞定啦 。
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（这里有个小错误彩蛋～聪明的读者发现了吗）
有了可读写的内存 ， 我们就可以事先把几个数字存储内存中了 ， 接下来 ， 我们能否让算术逻辑单元 ALU 自动地读取这个数字 ， 进行加法运算呢？
六、程序——自动化
我们先引入一个新的组件 ， 10 位计数器 ， 这里的 Clk 就接入我们在第四部分讲的时钟信号 ， Clr 是清零端 ， 具体效果下面动图一目了然 。
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计数器的输出就是 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 可以当作内存中的地址 。
我们把这个计数器 ， 以及上面讲的 ALU 与 RAM 全部连在一起 ， 尝试实现一个可以累积求和的装置 。
我们想计算的是 1+2+3+4+5+6+7, 这个自动化的计算器是这么运行的
1、用控制面板在 RAM 的地址 0~6 处存上 1~7 这几个数字的 ， 在上一节已经实现了 。
2、当计数器的值是 0 时 ， 数据 1 被输出到加法器进行计算 ， 此时加法器 A=1 ， B=0 ， 计算结果为 1 ， 但记住锁存器存储的是上一次的加法器输出 0 ， 这次的计算结果要等下一次锁存器遇到上升沿信号 。
3、当计数器的值是 1 时 ，数据 2 被输入到加法器 ， 此时锁存器存储了上一次的计算结果 1 ， 并将这个 1 输出给小灯泡 ， 并同时回传到加法器的B ， 所以此时加法器 A=2 ， B=1 ， 计算结果为 3
4、当计数器的值是 3 时 ， 以此类推 ， 请看下图
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我们将累加求和这个过程自动化了！之后如果想计算累加和 ， 只需要用控制面板事先在内存里存好数据就可以了！是不是很方便？
七、程序指令
我们还想要更多的自动化！
现在这个装置 ， 只能无脑地将 RAM 中的数据从头到尾一直累加下去 ， 无法选择加哪个不加哪个 ， 也无法选择什么时候停止 。
比如我们 RAM 中的数据是这样的 。
| 数据（10进制） | |
| 0x00 | ... |
| 0x01 | 10 |
| 0x02 | ... |
| 0x03 | 20 |
| 0x04 | 30 |
| 0x05 | ... |
| ... | ... |
我们可以再增加一个 RAM ， 这个 RAM 里存放的数据 ， 表示"指令"的含义！
我们先发明三种指令 。
add：把 RAM 这个位置处的值进行累加
nop：忽略此处的值（也就是什么都不做）
halt：停止（禁止计数器的值加一）
那么要想达到上述功能 ， 相应的这个指令 RAM 中的数据应该是这样的 。
注意：下面指令 RAM 的地址和上面数据 RAM 的地址之间有一一对应关系！
| 地址 （16 进制） | 指令RAM的值 | 指令含义 |
| 0x00 | nop | 什么都不做 |
| 0x01 | add | 累加 |
| 0x02 | nop | 什么都不做 |
| 0x03 | add | 累加 |
| 0x04 | add | 累加 |
| 0x05 | halt | 停止 |
| ... | ... | ... |
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遇到 nop 指令(0x00) ， 那输出就将锁存器的 W 位禁止 ， 不允许锁存器写操作 ， 这样累加结果就不会录入 。
再比如遇到输入为 halt 指令(0x05) ， 就将计数器的 EN 位禁止 ， 不允许计数器 +1 ， 这样就达到了停止的效果 。
此时再让时钟信号震荡起来 ， 就可以达到有选择地求和过程 ， 并且在指定位置悬停 。 那现在我们就让时钟信号震动起来 ， 看看这个过程吧 。 （此处只留关键组件）
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这个控制单元该怎么实现呢？我们知道 ， 只要给出输入 ， 给出输出 ， 任何组件都可以造出来 。 本文就不再展开了 。
有了三个指令 ， 我们知道了通过指令这种方式 ， 配合各种复杂的控制器 ， 即可实现将所有操作统统自动化 。
接下来我们需要做的 ， 就是设计控制器 ， 以及约定好一大堆指令 ， 使得通过这一大堆指令的排列组合 ， 可以实现任何自动化的计算操作 。
我们将设计好的一大堆指令
称作指令集
我们将指令排列组合后可以实现的功能
称作程序
我们将指令的排列组合这个过程
称作编程
我们将排列组合这些指令的人
称作程序员
而我们将承载这一切的装置 ， 叫做什么呢？
没错 ， 这个破玩意 ， 就是
计
算
机
原文标题：图解 | 你管这破玩意叫计算机？
来源：低并发编程
【加法器|你管这破玩意叫计算机？】编辑：hxg
