昨晚在回顧之前所寫的問答時，我發現一篇關於「CPU是怎麼認識代碼」的問題熱度很高，很多朋友表示看了我寫依舊雲裡霧裡，不得要領。原因在於我主要講的是編譯器的作用和CPU的工作模式，沒有涉及到更加底層的知識。大家的疑惑主要集中在一點：我們都清楚CPU只認識0和1，但CPU到底是如何認識0和1的呢？
機器是沒有思想的，只會安裝規定好的電路工作
我們在學習單片機的時候，都會將寫好的程序燒錄進CPU裡。那麼各位有沒有想過，這個過程為什麼要叫「燒錄」?
原因就是它是真的在燒：一塊晶片的內部是密密麻麻，呈矩陣排列的熔絲。當我們寫好程序後，程序經過編譯器轉換成二進位代碼（0或1），再通過燒錄器的大量流燒斷熔絲，將這些二進位代碼寫進空白的晶片。程序中的0表示這條熔絲要燒斷，1表示這條熔絲不燒，以此方法記錄二進位信息。程序燒錄好後，晶片就有了邏輯功能。
簡單來講，燒錄就是規定好了電路，用戶只需給CPU通電就行，它就可以按照事先規定好的電路得出結果。從用戶的角度來看，好像是計算機讀懂了我們寫的程序，但實際上它就是循規蹈矩，這點和我們去開燈關燈沒什麼區別，只是通斷更多，電路狀態更加複雜。
下圖是一張早期的只讀存儲器PROM，由於它在燒錄後熔絲無法恢復，所以只能用來存儲特定的程序，所以也被叫做一次性存儲器。
現在這種熔絲設計的存儲器基本上被淘汰了，取而代之的是可以反覆擦寫的EPROM，在結構上是這樣的：
我們會發現，EPROM的並沒有採用熔絲設計，而是一種像溝壑的東西，這其實是現代數字電路的基礎——場效應管。在具體介紹場效應管前，我們先來了解一下計算機的發展和集成電路。
計算機發展史和數字電路
從1946年第一臺真正意義上的電子計算機ENIAC面世至今，計算機的硬體技術已經發展到了第四代。
第一代電子管計算機：邏輯元件採用真空電子管，體積大，可靠性差，成本高昂，為日後計算機的發展奠定了基礎；第二代電晶體計算機：邏輯元件採用電晶體，電子線路的結構得以優化改善，大大提高了計算機使用壽命，減小功耗；第三代集成電路數字機：邏輯元件採用中小型規模的集成電路板，速度大幅提高，性能更強，計算機正式邁入圖像和文字處理；第四代大規模集成電路：邏輯元件採用大規模和超大規模的集成電路，性能巨幅提升，成本降低，計算機開始走進千家萬戶，也是當下我們主要使用的計算機類型。根據功能和結構的不同，集成電路可以分成三種：模擬電路，數字電路，數/模混合電路。由於模擬電路不穩定，且抗幹擾能力較差，而數/模混合還不太成熟，目前我們主要使用的集成電路板都是由數字電路搭建的。
所謂數字電路，就是用數學信號完成對數字量進程數值運算和邏輯運算的電路，其基本電學原理，都與模擬電路相同。在理解了什麼是數字電路後，我們再來看場效應管。
場效應管簡稱為MOS，是一類金屬-氧化物構成的半導體。藍色部分是場效應管的主體部分，平時處於是絕緣的，此時源級（Source）和漏級（Drain)的電流不能從中間流過。當柵極（Gate）有電壓時，一部分藍色區域變成導體，源級和漏級就被打通了。
於是我們只要通過是否給柵極電壓，就能實現電路導通與否，就好比我們去開關燈一樣。需要注意的是，場效應管看上去和模擬電路中的PN結二極體有些類似，都是實現對電流的控制，但兩者有著本質的區別：場效應管是電壓控制元件，二極體是電流控制元件，MOS不會出現擊穿情況，在安全性上要比二極體高得多。
在理解了什麼是燒錄和MOS的作用後，我們就可以設計電路，來實現算數與邏輯的運算了。
布爾運算，二進位和門電路
1845年，英國一位名不見經傳的數學家喬治·布爾在禮拜時心血來潮，認為哲學問題可以用數學來表示。他將自己的想法編成書，即《邏輯的數學分析》和《思維規律的研究》，詳細闡述了如何將邏輯問題轉換成數學公式。
布爾代數中只有兩個值：1和0；三種運算：邏輯加、邏輯乘和邏輯非。這裡的1和0並不是數字意義上的1和0，而是一個事物的兩種矛盾狀態。比如一個人，活著就是1，死了就是0。
雖然喬治·布爾的想法很有創新意義，但在當時並不受重視，甚至一度被認為是偽科學。直到喬治·布爾去世多年後，另一位計算機先驅人物，密碼學的奠基人香農發現了這份被世人遺忘的寶藏。1938年，香農在《繼電器與開關電路的符號分析》中，將布爾代數與開關電路聯繫起來，憑藉該文章，年僅22歲的香農成功取得了麻省理工電氣工程碩士學位。
人們可以依靠繼電器構成邏輯門電路，從而邏輯上的運算結果：
與門：當兩個輸入端 A、 B同時為「1」時, 輸出端 C 才為「1」 , 否則為「0」；或門：當兩個輸入端 A、 B 中, 只要至少有一個輸入端為「1」時, 輸出 端 C 就為「1非」門：輸出狀態總和輸入狀態相反。
從這三種基本的門電路，可以構成與非，異或等其他門電路，它們的符號和結構如下圖所示：
有了門電路，人類製造出了第一款電子管計算機。在設計之初，科學家們還是沿用了人類的思維採用了十進位，用十個真空管代表一位上的0~9，看起來是很方便，但一個真空管對應一位數實在是太浪費了，計算機的體積也非常大。此時另一位不世出的天才科學家又站了出來，他就是被譽為「現代計算機之父」的馮諾依曼。
馮諾依曼提出將CPU改為了二進位，二進位的好處在於它剛好與高低電平相對應，他規定1代表高電平，0代表低電平；除此之外，二進位還有一個優勢就是精度夠高，舉個例子，0~5V分成10份，電壓每變化0.5V就代表十進位0~9中的一個值，當時電子元件的遠不如現在這般精密，一旦出現誤判後果是非常嚴重的。得益於這兩點，二進位的設計一直被沿用至今。
自己設計一款CPU
嚴格來講，CPU只是晶片的一部分，不過目前我們習慣性的將這兩個概念混在一起了。CPU全稱為中央處理器，由控制單元，運算單元和存儲單元三部分組成。這裡我們單以運算器為例，來講一下如何用邏輯門來實現數的運算
運算單元的類型有很多，加法器是最基礎的一種，其餘三種運算都能用加法來實現。
在不考慮進位情況下，根據布爾代數的定義，我們可以得到加法的真值表：
其中A,B為輸入，C為進位，S為輸出值，這種加法器叫做半加器，其布爾式為A⊕B=AB+AB
當需要考慮進位時，輸入變成了三位數，根據布爾代數的定義，全加器需要多一個進位輸入，所以需要使用兩個半加器，將一個半加器的加和輸出連接到另一個半加器，這樣一來，就可以用來進位了。我們可以列出真值表，其布爾式如下：
(A⊕B)⊕C=A⊕B⊕C，由於排版原因，此處不再展開。
門電路圖如下，
當設計完全加器後，我們搭建二進位加法器了。以一個八位二進位加法器為例，則需使用八個全加器，2^8=256，所以該加法器可以進行0~255以內的加法運算，每一個全加器的進位輸入與上一個全加器的進位輸出相連。
因為減法可以看做是加負數（計算機通常採用「取反補1」），乘法看作是多個數相加，除法看作為次數是被除數的減法運算，所以我們便完成了運算器的設計。
無論是存儲器（存儲器中的0和1按照特定排序，構成不同的信息），運算器，還是控制器，他們在原理上都是一致的，都是根據布爾式推出的真值來設計出相應的門電路。所以大家現在可以理解，為什麼CPU會賣的那麼貴，在一塊小小的CPU上集成這麼多複雜的元件真的不是一件容易事。
簡單來講，一段代碼會先被編譯器翻譯，變成0和1的排列，他們對應著的高低電平，根據電平的不同走不同的邏輯電路。我們只是從鍵盤上敲了幾行代碼，計算機就要做大量的運算工作。
所以將計算機評選為人類歷史上文明程度最高的產物，真不是空穴來風。