最近读到这样一篇好文章，从底层硬件角度出发剖析了一下CPU对代码的识别和读取，内容非常精彩，读完感觉大学里学到的很多东西瞬间联系起来了，这里分享给大家，希望能认真读完并有所收获。
半导体其实就是介于导体和绝缘体中间的一种东西，比如二极管。
电流可以从A端流向C端，但反过来则不行。你可以把它理解成一种防止电流逆流的东西。当C端0V，A端10V，二极管可以视为导线，结果就是A端的电流源源不断的流向C端，导致最后的结果就是A端=C端=10V
等等，不是说好的C端0V，A端10V么？咋就变成结果是A端=C端=10V了？你可以把这个理解成初始状态，当最后稳定下来之后就会变成A端=C端=10V。文科的童鞋们对不住了，实在不懂问高中物理老师吧。反正你不能理解的话就记住这种情况下它相当于导线就行了。利用半导体，我们可以制作一些有趣的电路，比如【与门】
此时A端B端只要有一个是0V，那Y端就会和0V地方直接导通，导致Y端也变成0V。只有AB两端都是10V，Y和AB之间才没有电流流动，Y端也才是10V。我们把这个装置成为【与门】，把有电压的地方计为1，0电压的地方计为0。至于具体几V电压，那不重要。也就是AB必须同时输入1，输出端Y才是1;AB有一个是0，输出端Y就是0。其他还有【或门】【非门】和【异或门】，跟这个都差不多，或门就是输入有一个是1输出就是1，输入00则输入0。异或门难理解一些，不过也就那么回事，输入01或者10则输出1，输入00或者11则输出0。（即输入两个一样的值则输出0，输入两个不一样的值则输出1）。这几种门都可以用二极管做出来，具体怎么做就不演示了，有兴趣的童鞋可以自己试试。每次都画二极管也是个麻烦，我们就把门电路简化成下面几个符号。
然后我们就可以用门电路来做CPU了。当然做CPU还是挺难的，我们先从简单的开始：加法器。加法器顾名思义，就是一种用来算加法的电路，最简单的就是下面这种。
AB只能输入0或者1，也就是这个加法器能算0+0，1+0或者1+1。输出端S是结果，而C则代表是不是发生进位了，二进制1+1=10嘛。这个时候C=1，S=0那再进一步算个1+2吧（二进制01+10），然后我们就发现了一个新的问题：第二位需要处理第一位有可能进位的问题，所以我们还得设计一个全加法器。
每次都这么画实在太麻烦了，我们简化一下
也就是有3个输入2个输出，分别输入要相加的两个数和上一位的进位，然后输入结果和是否进位。
我们就有了一个4位加法器，可以计算4位数的加法也就是15+15，已经达到了幼儿园中班水平，是不是特别给力？
做完加法器我们再做个乘法器吧，当然乘任意10进制数是有点麻烦的，我们先做个乘2的吧。乘2就很简单了，对于一个2进制数数我们在后面加个0就算是乘2了
所以我们只要把输入都往前移动一位，再在最低位上补个零就算是乘2了。具体逻辑电路图我就不画，你们知道咋回事就行了。所以一般简单的CPU是没有乘法的，而乘法则是通过位移和加算的组合来通过软件来实现的。这说的有点远了，我们还是继续做CPU吧。现在假设你有8位加法器了，也有一个位移1位的模块了。串起来你就能算
关注微信公众号：Java技术栈，在后台回复：java，可以获取我整理的 N 篇最新Java 教程，都是干货。这个就简单了，sel输入0则输出i0的数据，i0是什么就输出什么，01皆可。同理sel如果输入1则输出i1的数据。当然选择器可以做的很长，比如这种四进一出的
为什么这么设计呢，刚才也说了，我们可以为每个模块设计一个激活针脚。然后我们可以分别用指令输入的第二第三第四个针脚连接寄存器，加法器和位移器的激活针脚。这样我们输入0100这个指令的时候，寄存器输入被激活，其他模块都是0没有激活，数据就存入寄存器了。同理，如果我们输入0001这个指令，则加法器开始工作，我们就可以执行相加这个操作了。为什么CPU能看懂，因为CPU里面的线就是这么接的呗。你输入一个二进制数，就像开关一样激活CPU里面若干个指定的模块以及改变这些模块的连同方式，最终得出结果。Q：CPU里面可能有成千上万个小模块，一个32位/64位的指令能控制那么多吗？A：我们举例子的CPU里面只有3个模块，就直接接了。真正的CPU里会有一个解码器（decoder），把指令翻译成需要的形式。Q：你举例子的简单CPU，如果我输入指令0011会怎么样？A：当然是同时激活了加法器和位移器从而产生不可预料的后果，简单的说因为你使用了没有设计的指令，所以后果自负呗。（在真正的CPU上这么干大概率就是崩溃呗，当然肯定会有各种保护性的设计，死也就死当前进程）
这个一步做不出来吧？毕竟还有一个回写的过程，实际上确实是这样。我们设计的简易CPU执行一个指令差不多得三步，读取指令，执行指令，写寄存器。经典的RISC设计则是分5步：读取指令(IF)，解码指令(ID)，执行指令(EX)，内存操作(MEM)，写寄存器(WB)。我们平常用的x86的CPU有的指令可能要分将近20个步骤。你可以理解有这么一个开关，我们啪的按一下，CPU就走一步，你按的越快CPU就走的越快。咦？听说你有个想法？少年，你这个想法很危险啊，姑且不说你有没有麒麟臂，能不能按那么快（现代的CPU也就2GHz多，大概也就一秒按个20亿下左右吧）就算你能按那么快，虽然速度是上去了，但功耗会大大增加，发热上升稳定性下降。江湖上确实有这种玩法，名曰超频，不过新手不推荐你尝试哈。那CPU怎么知道自己走到哪一步了呢？前面不是介绍了FF么，这个不光可以用来存中间数据，也可以用来存中间状态，也就是走到哪了。具体的设计涉及到FSM（finite-state machine），也就是有限状态机理论，以及怎么用FF实装。这个也是很重要的一块，考试必考哈，只不过跟题目关系不大，这里就不展开讲了。我们再继续刚才的讲，现在我们有3个指令了。我们来试试算个（1+4）X2+3吧。
01000001000101000010000000010011
你来把它输入CPU，我去准备一下去幼儿园大班踢馆的工作。神马？等我们输完了人家小朋友掰手指都能算出来了？？没办法机器语言就是这么反人类。哦，忘记说了，这种只有01组成的语言被称之为机器语言（机器码），是CPU唯一可以理解的语言。不过你把机器语言让人读，绝对一秒变典韦，这谁也受不了。作者：brightwang，来源：https://dwz.cn/UG3BiLM2关注Java技术栈公众号在后台回复：Java，可获取一份栈长整理的最新 Java 技术干货。