这个问题从高中就开始疑惑,计算机究竟是如何理解人类思维,如何进行计算的?我很想知道最最基本的工作原理,但是大学里好多课程,数字逻辑,计算机组成原理,只是从不同层次上解释了计算机的工作原理,很可惜的是,我并没有把知识穿起来。看了很多人的回答,大家也只是解释了一部分问题,没有完整地把计算机整个的抽象层次说清楚。在大学里我看到了 Charles Petzold的《编码 隐匿在计算机软硬件背后的语言》,这部永不退色的计算机经典著作,为了讲明白了这件事儿,今天我决定用自己简略的话,回顾一下作者写作的思路,用我的理解为大家讲述计算机的工作原理。希望我能够完成。
今天的计算机已经变得相当复杂,是有史以来人类创造的最复杂最精密的仪器,没有之一,是二十世纪技术领域的“登峰造极之作”,计算机与生俱来的层次化体系结构,掩盖了技术背后最本质的东西,现在已经很少有人去关心计算机最本质的工作原理,我希望能剖析计算机一层层‘“抽象”面纱,展现最本质的“计算”过程。基本的知识基础是高中物理,高中数学。
第一节 计算器
下面回到高中课堂,我依稀记得在电磁学那一部分,讲到了电磁继电器,当时老师说,继电器是很重要的发明,我打开物理课本,“什么破东西嘛”,太简单了,那时候觉得像继电器这样的发明没什么用。高中数学中也讲到,布尔代数,简单老说就是,与、或、非,而且教科书上说,布尔代数意义重大云云。下面问题来了,我只用继电器能不是实现简单的计算器?注意是“计算器”,而不是计算机,答案是肯定的,来,那就看看,如何用继电器打造出一个”计算器“,进而打造出一台”计算机“
两个继电器串联,点亮一盏灯,这算不算实现了“与”的操作呢?两“真”为”真“
两个继电器并联,点亮一盏灯,是不是实现了”火“的操作?一真为真
一个继电器本身就可以实现”非“的操作
这样一来,物理上的继电器,和布尔代数,完美地融合起来,我把与或非门继电器实现称作”物理层“,每张图右边的符号表示,称作”布尔逻辑层“,从”物理层“到”布尔逻辑层“是我们的第一层抽象,很简单吧?(当然现代计算器从物理实现到逻辑实现,已经不再使用继电器,而是在硅芯片上雕刻一个个的晶体管,但晶体管的数量绝对不会减少,这一点@丁旭 已经说得很明白)
接下来可能有人问,你整这些小儿科的东西,有什么用呢?别急,看我慢慢展开!
我们知道,布尔代数是一种数学,既然是一种数学,那么存在数学运算啊,数学运算能用继电器实现吗,