前面一小节介绍了芯片是什么。我们虽然知道了芯片是个什么东西，但是仍然不知道芯片是如何工作的。我们还是要了解芯片的具体工作原理，才能真正理解编译器设计机器码、中间代码的原因。下面我们就从学习一个最简单的8位CPU的设计原理，来搞懂芯片到底是如何工作的。当前CPU设计已经很复杂了，原理也和本文的内容有很大差异，但是万变不离其宗，最基本的原理还是一致的。

注：本小节内容主要是对《But How Do It Know? - The Basic Principles of Computers for Everyone》一书的理解总结，这本书目前还没人翻译。建议英文条件好的同学都去买英文原本看下，或者网上也有电子书。

芯片内部什么样子

学过数字电路的同学是不是感觉上面的电路图并不复杂？目测就一百多个门电路和封装好的译码器、移位器等拼一块儿竟然就成了一个8位CPU芯片。最右边是输入机器码的地方。红色是每个时钟电路的通路。

记住这一点：CPU芯片本质上只是在不断的重复取指令、计算、输出结果，而取值、计算、输出本质上就是芯片内部的不同通路。而不同通路的选择以及值的传递靠的是门电路。下面我们就来从头开始DIY自己的8位CPU芯片，借此理解芯片的工作原理。

一点背景知识

开始动手DIY芯片之前，我们要了解一下基础的数字电路。这些并不复杂，只要你懂基本的逻辑运算就可以。门电路只不过换了一种符号体系来表示数学运算。

与非门

c = !(a & b)，其中c是输出，a、b是输入。这个计算公式表达的含义就是将a、b做与运算后再取非。注意：a和b都是一根线，换句话说都是一个bit。对应数字电路的与非门：

请各位同学记住：这是这个芯片里面最重要的基本电路。

非门

c = !(a & a)。与非门大家看懂了，这个就没啥好说的了。纯粹就是拿与非门实现了非门电路

1bit存储单元

来了，重点来了，我们开始用基本的门电路搭建一bit的存储单元。数字电路有很多的稳定的状态（简称稳态），有的稳态输出0，有的稳态输出1。输出从0切换为1，或者从1切换为0，都只不过是外部条件触发从一个问题切换到另一个稳态。

废话不再多说，上电路图：

我们来分析下电路的输出：

1.i=0 s=1。此时a=1，b=0，c=1，o=0。

2.i=1 s=1。此时a=0,b=1,o=1,c=0。

规律1：当s=1时，o的值和i保持一致。i就是输入，o就是输出。

3.i=0, s=0。此时a=1,b=1,o和c的值既可以是0，也可以是1，或者说保持原有值。

4.i=1, s=0。此时a=1,b=1,o和c的值既可以是0，也可以是1，或者说保持原有值。

规律2：当s=0时，o的值维持自己的值不变，无论i怎么变化。

看到没！！！规律1+规律2是不是造就了一个可以保存输入值的电路，这就是1bit内存单元。支持写入，支持读取。

8bit存储单元

1bit我们做好了，8bit就是集合8个1bit单元。用一个开关位控制（如果多个开关位也可以，那就表示CPU支持位操作指令）

总线

我们先来介绍一个新的电路，由多个与门电路组成。这个电路当e关闭时，无论i输入怎么变化，输出的值都是0。当e打开时，输出和输入保持一致。

我们把这个电路和前一个电路串联起来，得到下面这个电路，这个就是我们后面要用到的8bit寄存器了。这个电路很重要，前面的B允许我们读取输入并保存起来（无论输入后面怎么变化）。后面的E允许我们该输出的时候才输出：

再来加入一个关键概念总线：

我们把8bit线的连接用“=”符号替换，这就是总线了。这里也能看出一个重要概念，总线其实是有位数的概念的。

译码器

再来最后一个译码器电路。其实就是将abc的值，翻译成具体的值。

好了，我们可以继续了。有了这些背景知识，你就可以做一个CPU了。下个小节我们正式开始