八. 计算机组成原理
计算机组成
在讲内存数据和CPU计算之前， 先简单讲讲计算机的组成, 先看图:
控制器又称为控制单元（Control Unit，简称CU），是计算机的指挥中心，只有在它的控制下，整个CPU才能够有条不紊地工作、自动执行程序。CU包括指令寄存器、指令计数器，其中指令寄存器存放当前正在执行的指令，指令计数器总是指向下一条要执行指令的地址。CU的工作流程为：从内存中取指令、翻译指令、分析指令。然后根据指令的含义，向有关部件发送控制命令，控制相关部件，执行指令所包含的操作。具体的指令执行过程如下：CU通过指令计数器，获取下一条将要执行指令的地址，通过该地址获取具体的指令，存放在指令寄存器，然后对该指令解码，如果是一个add（加法指令），会通过将寄存器中的值加载到运算器，其中寄存器中的值是从cache或者主存中获取的，经过运算器的运算产生进位、溢出等信号反馈给控制器，产生的结果也存放在寄存器中。
运算器是一个负责算术运算和逻辑运算的模块，主要包含算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称ALU）和浮点运算单元（Floating Point Unit，简称FPU）。ALU的主要功能：在控制信号的作用下，完成加、减、乘、除等算术运算，以及与、或、非、异或等逻辑运算以及移位、补位等运算。通常ALU由两个输入端和一个输出端（两个值输入，一个结果输出）。FPU主要负责浮点运算和高精度整数运算。运算器是用与、或、非逻辑门电路搭建起来的。
寄存器的主要功能是存储数据、地址及指令，并且能够高速、自动地完成数据的存储。寄存器是有记忆功能的器件，而且采用两种稳定状态0或1来记录数据信息，所以CPU中的程序和数据，都要转换为二进制才可以存储和操作。寄存器也是由与、或、非逻辑门电路组成的，下面就展示1bit的存储，32个bit存储电路就是32个重复的1bit电路。
内存映射单元（Memory Map Unit，简称MMU），指的是将虚拟地址转化成物理地址的模块。MMU包含了两个模块：页表查找表（Table Lookup Buffer，简称TLB）和页表遍历单元（Table Walk Unit，简称TWU）。TLB是一个高速缓存，用于缓存页表转换的结果，从而减少页表查询的时间。一个完整的页表翻译和查找的过程叫做页表查询，页表查询是通过硬件模块TWU自动完成的，但是页表的维护需要软件来完成，且存放在主存中，因此页表查询是一个耗时的过程。当TLB未命中时，MMU才会通过TWU查询页表，从而得到翻译后的物理地址，这个虚拟地址及物理地址的映射，也会存储在TLB中。
由于CPU与内存之间存在很大的速度差（两者相差上百倍），同时又因为程序的加载，有时间及空间局部性的特点，也就是说程序的一个内存位置被访问了，附近的位置很快也会被访问到。那么我们可以把内存中的部分代码，提前加载到访问更快的Cache里面。既然Cache的主要作用是CPU与主存的缓冲层，那么Cache的速度应该接近于CPU，基本上是与CPU同频运作。
内存数据
内存中放着很多很多非常小的“算盘”，一个小算盘里面有8个珠子，珠子有电了就拨上去表示1，没电了就拨下来表示0，一个珠子叫1bit，一个8个珠子的算盘叫1Byte 那么计算机用电怎样才能像算盘那样，记录珠子是在上面还是还是在下面呢？ 答案就是： 电容 （ 一个珠子就是一个电容）
电容
内存
那么，思考一下超过255的数怎么办？负数怎么办？有小数点的浮点数怎么办？
内存地址
内存中的算盘是按顺序摆放的，我们把顺序编上序号，这个序号就是“内存地址”，通过序号就能找到这个算盘，所以内存地址就是个“数”—用来找算盘的数…
进制转换
前面讲过，计算机是用电来计算的机器，电只有2种状态：有电或没电， 所以二进制是计算机最原始的计算和记录数据的形式， 而我们人类用的是十进制，二进制转十进制刚才讲过了， 那为什么会有8进制和16进制呢？ 这和前面说过的KB、MB以及GB类似， 用8进制或16进制就是为了把一个算盘上的数值更加方便地表示出来。 看看下面的例子：
16进制数：0123456789ABCDEF 16进制用的非常多，例如查看内存，网络通信以及和硬件相关的编程等场合
计算机中的运算
在计算机中各种运算都是CPU来完成的，而CPU在算术运算上只能做加法和移位和取反运算，在逻辑上只有与、或、非、异或。
下面详细讲这些运算:
CPU运算的原理 — 三极管
前面一直强调过的：计算机就是用电来进行计算的机器，存储用电容是否有电压来表示是否有数据（1,0）那么用于计算的CPU呢？ 计算是一个过程， 过程是动态的， 这个动态的过程使用是否有电流来实现这就是电路， 初中的电学应该没讲电容、二极管和三级管， 高中一定会学， 其实计算机就是由这些简单的电路构成的， 因此有人说计算机的发明实在是太巧妙了，巧妙到不像是人类能够发明出来的， 更像是外星文明传过来的…
那么CPU是怎么计算的？ 我们从最基本的也是最重要的一个元器件—三极管讲起：
下面就是三极管的电路图，有两个电极和一根控制线。
三极管的工作方式也非常简单：
如果控制线有电流输入，两个电极导通，否则断开
例如NPN， 电流从上面电极来，如果控制线有电下面的电极有电流，如果控制线没有电流，则下面的电极也没有电流。只有控制线有电流通过，下面的电极才能有电流
三极管有NPN型和PNP型， 具体是哪个型号是由其物理结构决定的（电流只能是P到N）， 在电路符号上看箭头， 电流流向发射极的是NPN， 电流流向基极的是PNP
三极管组成的电路：非门（NOT Gate）
通过前面了解三极管的工作方式：通过电流控制电流， 灵活运用三极管的组合以及电极的意义（哪个极当什么用）， 就能像“门”一样控制电流的进出，因此，这部分电路叫XX门： 非门， 与门， 或门， 异或门…
下面讲讲非门（Not Gate）：
设计思路： 把控制线当作输入，把上面的电极当作输出， 把下面电极接地。
非门一个输入一个输出
“非”的意思是反着来： 给我0我给你1，给我1我给你0
下面示例, 红色是有电流
非门的简单表现方式:
