“好记忆不如烂笔头”，读书笔记系列是为了记录自己的读书心得，文章内容一部分是摘抄原文，一部分是自己的了解和总结
本篇文章记录的是，来自李忠教师的《穿越核算机的迷雾》第二版
一、写在前面
上周末总算看完了李忠教师的《穿越核算机的迷雾》，从十一假期到现在，算算日子，读完这本书用了将近一个月时刻
读这本书的目的是想补核算机组成原理的根底。早在读《穿越核算机的迷雾》之前，计组方面我现已学过了：
北京大学陆俊林教师的《核算机组成》视频公开课，和徐文浩教师在极客时刻发布的《深入浅出核算机组成原理》专栏
读完《穿越核算机的迷雾》今后，给我最大的感受是：这是一本非常棒的科普书籍！
和之前的两个课程比较，它不会上来就讲原理，什么是冯诺依曼结构、运算器、控制器、南桥北桥是什么、指令系统等等
而是从初中电学开端讲起，从电生磁到继电器的创造，从磁生电到电话的创造，一直讲到逻辑电路、触发器、布尔代数、寄存器、运算器等等
这本书让我明白，人类并不是一开端就知道：应该怎样去制造一台核算机的？ 核算机的创造，是由很多前人智慧的结晶一步步演化而来
接下来咱们跟随李忠教师的脚步，一起来探求核算机内部的国际
ps：限于篇幅，本篇文章在内容上有删减，建议阅读原著
二、穿越核算机的迷雾（1~4）
书本的第一章，作者花了一整章的篇幅来温习初中的电学课程，这儿咱们简略过一遍：
能够导电的被称为 “导体”，金属、电解液、电离的气体、大地等都是导体
不能导电的被称为 “绝缘体”，干燥的木头、智障、塑料、陶瓷等都是绝缘体
导体能够导电的原因，是它具有大量能够自由移动的带电粒子。电压推进电子往一个方向流动，则被称为电流
在第一章的结束，作者介绍了电路图的来源，并教咱们画了一个根底的电路图
图 1.8 文中图片均来自于《穿越核算机的迷雾》，后续不再重复声明
这些符号咱们应该都还知道，从左到右别离是电源、开关和两个灯泡
用电来标明数
有了电路图的根底，接下来咱们来幻想一下，凭空出现了一个能核算加法的 “加法运算部件”
这个加法运算部件供给了a、b两个输入端，好让它知道要算的数是什么。当这个加法运算部件完结核算后，它把成果从 o 端送出来，如 2.1 图所示
图 2.1
现在，我要利用它来核算加法，假定咱们要核算 1 + 2 等于几？
咱们能够在 a 端加上 1V 的电压，在 b 端加上 2V 的电压，当运算完结后，用电压表测量 o 端就会得到 3V 的电压，这就标明 1 + 2 的成果等于 3。
假如咱们核算的数值比较小，或许都是整数，上面的计划也未尝不可。可是，假如仅仅这样，那这个加法部件也没什么意义，咱们必须想办法处理数值过大或许小数的状况
这时分，人们想起了德国佬，莱布尼茨。
莱布尼茨是巨大的哲学家和数学家，大约在1672—1676年的时刻，他创立了二进制。二进制在创立之初，并非是为了电学服务的，仅仅无意间被创造了出来
在随后的前史进程中，人们发现能够用开关来标明二进制，就把二进制拿过来作为核算机的一部分
图 2.16
如上图 2.16，当开关断开时，电流被堵截，这代表 0；当开关接通时，电路中有电流经过，这代表 1
有了二进制今后，之前的加法部件数值过大的问题就迎刃而解了
图 2.19
如图 2.19 所示，图中的灰色方框一般代表一个具有加法功用的电路，由于咱们现在还不知道它的内部结构，所以这儿用一个方框来标明
这个运算部件的左面和下面各有 5 个开关，别离用于输入两个参加运算的二进制数
右边输出的5根线各自连接一个灯泡，当灯泡亮时，标明这一比特是1，否则为0，经过调查亮灯的状况，再转为十进制，咱们就能知道成果是几了
好了，第二章到这儿就完毕了，接下来的第三章，咱们将开端探求学会二进制怎样做加法？并规划出一个全加器电路，它可是图 2.19 中的灰色方框中的重要组成部分
二进制怎样做加法？
一个能够核算 5 bit 以内的的电路图在上一章节完毕时现已画出来了
严格来说，由于成果端只要 5 个灯泡，所以上面的电路图最大只能得到的成果是 11111 ，也便是只能核算成果在 31 以内的加法
为了规划出能核算更大的数的电路，咱们有必要来学习：二进制的加法
图 3.2
如图 3.2，和十进制的加法相同，二进制做加法时，也是要先把两个相加的数右对齐，然后从最右边的列开端核算
依据下面的口诀得到一个核算成果：
- 0加0等于0
- 0加1等于1
- 1加0等于1
- 1加1等于0，进1
比方图 3.2 演示的，110 + 11 = 1001 ，翻译成十进制便是，6 + 3 = 9
1、什么是全加器
在核算几个二进制加法今后，咱们发现了一个规律：已然加法都是按列进行的，而且每一列的核算进程都相同
那么完全能够规划一个电路来完结每一列的相加进程，如图 3.7 所示
图 3.7
接下来，咱们要开端上一点难度了，留意听讲！
在图中， A 和 B 别离是来自‘被加数’和‘加数’的一个比特，它们正好在同一列上；
Ci 是来自右边一列的进位；
Co 是本列发生的进位；
S 是本列的“和”；
为了标明这个电路的用途，咱们在图的中间加了一个符号 “∑” 。在数学中，这个符号用来标明 “加”
已然是一个电路，它必定有一个名字。是的，它叫全加器。这不是一个很简略了解的名字，特别是这个 “全” 字
2、什么是半加器
已然有全加器，是不是还应该有“半加器”？
你别说，还真有半加器这东西。
可是，半加器仅仅是把来自被加数和加数的两个比特加起来，发生一个 “和” 以及一个进位，并不考虑从其他列来的进位
换句话说，它仅仅用电路来实现二进制加法口诀。全加器则否则，它真实实现了二进制加法中每一列的加法进程，所以它才叫做“全加器”
3、全加器的组合
有了全加器，处理了二进制加法进程中每一列的核算问题，那么，咱们能够搞一大堆全加器，依据被加数和加数的比特数，把它们串联起来组成一个完好的加法电路，图 3.8 显现了这一进程
图 3.8
图中，参加相加的两个二进制数别离是 a2/a1/a0（左上三个开关） 和 b2/b1/b0（底部三个开关），组成它们的每一个比特都能够用开关的闭合与断开来得到
跟着开关的闭合与断开，咱们会得到一些二进制数，比方咱们能够让 a2/a1/a0 = 110
由于被加数和加数各自用了3个开关，所以咱们只能核算3比特的二进制数，比方110 + 101
假如咱们仔细调查的话，会发现它很简略进行扩充，以核算更大的数，只需要串联更多的全加器即可
全新的开端，电与磁
全加器的事情到这儿先告一段落，从第四章开端，作者将带领咱们一起来回顾电与磁的前史
前几章介绍的二进制啊、全加器电路啊这些都先放一边，开端全新的旅程
1、电能生磁
老实说，虽然从表面上看核算机是神奇的、智慧的，但掩盖不了它实质上仅仅一种一般电器的现实
这也意味着，要想搞清楚它内部到底是怎样运作的，仅仅靠掌握一些简略的电学常识还不行，还必须了解别的一部叫做电磁学的前史。
没有它所供给的理论常识和电子零件，核算机的开展也就失掉了最原始的根底
咱们开端吧
1820年的一天，一个偶尔的机会，奥斯特发现当电路接通时，离电线很近的磁针会发生偏转
奥斯特的偶尔发现说明晰一个现实，那便是，电流能够发生磁场
假如咱们在一颗钉子上缠绕电线，通电今后这根钉子就会具有磁性，绕的圈数越多，磁力也就会越大，这被称为电磁铁，如图 4.1 所示
图 4.1
2、摩尔斯电码
电学开展的前史还在继续
电磁铁被创造出来今后，在1836年左右，美国创造家摩尔斯在此根底上创造了一种叫做电报的东西
它由不在一个当地的两个装置组成，用很长的电线连接起来
图 4.2
如图 4.2 所示，一旦开关闭合，电磁铁收效，衔铁臂（右上部分）就会被磁性招引接近电磁铁；当开关松开，电磁铁失掉磁性，衔铁臂又在弹簧的牵引下回到本来的方位
摩尔斯在衔铁臂绑上了一支笔，并在笔的下面放一卷匀速行进的纸，当咱们闭合开关时，在纸上打印出一个点 “ ”，闭合的时刻稍微长一些，纸上留下一条线 “—” ，这称为“划”
咱们能够不断的开合开关，在纸上打印出 “—————————” 各种组合图案，再配上解析规矩，比方，字母 “A” 是 —，字母 “V” 是 —，咱们就能够经过这样的组合图案来发送信息了
这，便是摩尔斯电码的原理
3、继电器的创造
前史上第一份远程电报是在1844年5月24日发出的，这标明莫尔斯的创造现已具备了实用性
不过，假如线路太长，电阻就会变大。这样，在电报线路的那一头，弱小的电流将不能使电磁铁正常吸合，电报接收机也就不能正常作业
好在咱们有继电器，继电器的创造其实比摩尔斯电码要更早一些
1831年，美国科学家约瑟夫亨利用电磁铁创造了电动门铃，特别合适运用电线来进行长距离敲响门铃
然后于1835年创造电子继电器，它利用电磁铁在通电和断电下磁力发生和消失的现象，来控制高电压高电流的另一电路的开合
咱们能够在发送电报的电线加装 N 台继电器，这样能够处理长距离输送，电流会变小的问题，如图 4.3 所示。继电器的数量，取决于电报的输送距离
图 4.3 继电器的实质是“续”电
4、磁也能生电
在奥斯特发现电流能发生磁场之后，人们想到，已然电流能够发生磁场，那么反过来，磁场能不能变成电流呢？
1831年的一天，英国的物理学家法拉第做了一个实验
图 4.6 法拉第用来将磁变成电的装置
如图 4.6 所示，左面的电线接开关和电源，这实际上是把整个大铁圈变成了一个电磁铁。
当闭合开关的时分，线圈中有电流经过，大铁圈就发生了磁场，变成了一个磁铁。右边的那个线圈接电流计，当他在给左面的线圈通电时，在电源接通的一瞬间，电流计摆动了一下
就这样，法拉第发现了，当导体在磁场中运动的时分，就能发生电流，磁生电就此诞生
三、结语
电与磁的前史总算完毕了，但其实，为了不让文章看起来太长，我故意漏掉了原著中4.4、4.5、4.6 这三个小节的内容，它们别离讲的是：电话的创造、爱迪生大战交流电以及无线电通信的开端
感兴趣的同学能够寄几购买原著翻一翻
从第五章开端，作者将带领咱们正式学习和核算机有关的常识，咱们下篇文章见
最后，引证作者李忠的一句话作为结束
“学习核算机就像是考古，咱们学习常识不应该和游戏规矩相同死记硬背，我更关心每个常识点背后的故事，常识怎样一步步来的”
四、参考资料
- 《穿越核算机的迷雾》- 李忠
- 继电器是怎么成为CPU的（一） – BIT祝威
- 继电器是怎么成为CPU的（二） – BIT祝威
- 红石电路教程 – 我的国际官网
