本文接上文程式是如何在計算機上被執行的？（上篇：軟體部分），主要內容是機器語言如何在計算機硬體上執行，關於邏輯閘，加法器，布林運算，亦即，cpu的工作原理。

1、邏輯閘

以下圖片是《三體》中的一個情節：

這段故事提到一千萬個這樣的門部件，就是搭建計算機的基礎元件，邏輯閘。

那什麼是與、或、非呢？

相信聰明的你高中物理有學過電路，想象三種場景：

1、非門開關控制燈泡，1是開啟，0是關閉

2、與門
串連電路，只要關一個開關，燈泡就不亮，只有兩個開關都開啟燈泡才亮，即必須都是1才亮。

3、或門

並聯電路，只要有一個開關是開的，燈泡就亮。

道生一，一生二，二生三，三生萬物，就像人體蛋白質由二十種氨基酸通過不同組合而成，使用這三種基本邏輯閘，就可以實現所有邏輯運算，進而構造出一整套的計算

一切運算的基礎——加法

現在能生成萬物的基礎元素與或非門出現了，接下來我們著手設計CPU最重要的能力：計算，以加法為例。由於CPU只認識0和1，也就是二進位制，那麼二進位制的加法有哪些組合呢：

• 0+0，結果為0，進位為0

• 0+1，結果為1，進位為0 

• 1+0，結果為1，進位為0 

• 1+1，結果為0，進位為1，二進位制嘛！

注意進位一列，只有當兩路輸入的值都是1時，進位才是1，看一下你設計的三種組合電路，這就是與門啊，有沒有！

但，只有計算能力是不夠的，電路需要能記得住資訊。

神奇的記憶能力

到目前為止，你設計的組合電路比如加法器天生是沒有辦法儲存資訊的，它們只是簡單的根據輸入得出輸出，但輸入輸出總的有個地方能夠儲存起來，這就是需要電路能儲存資訊。

電路怎麼能儲存資訊呢？一位英國物理學家，設計了這樣一個簡單但極其神奇的電路：

這是兩個NAND門的組合，不要緊張，NAND也是有你設計的與或非門組合而成的，所謂NAND門就是與非門，先與然後取非，比如給定輸入1和0，那麼與運算後為0，非運算後為1，這就是與非門，這些不重要。

比較獨特的是該電路的組合方式，一個NAND門的輸出是兩一個NAND門的輸入，該電路的組合方式會自帶一種很有趣的特性，只要給S和R段輸入1，那麼這個電路只會有兩種狀態:

要麼a端為1，此時B=0、A=1、b=0；

要麼a端為0，此時B=1、A=0、b=1;

不會再有其他可能了，我們把a端的值作為電路的輸出。

此後，你把S端置為0的話(R保持為1)，那麼電路的輸出也就是a端永遠為1，這時就可以說我們把1存到電路中了；而如果你把R段置為0的話(S保持為1)，那麼此時電路的輸出也就是a端永遠為0，此時我們可以說把0存到電路中了。

就問你神奇不神奇，電路竟然具備儲存資訊的能力了。現在為儲存資訊你需要同時設定S端和R端，但你的輸入是有一個(儲存一個bit位嘛)，為此你對電路進行了簡單的改造：

這樣，當D為0時，整個電路儲存的就是0，否則就是1。

同理，我們可以通過任意加法器進行組合拼接實現較長的二進位制計算。實際上，數學家已經證明，加法是實現所有數學運算的基礎。有了加法器，原則上就可以通過他們搭建任何其他計算，像乘法、除法、平方、開方、三角函式等。而偉大的電腦科學家圖靈在一百年前就已經指明，這些簡單運算足以支撐任何資訊處理的過程。

暫存器與記憶體的誕生

現在你的電路能儲存一個位元位了，想儲存多個位元位還不簡單，複製貼上就可以了：

我們管這個組合電路就叫暫存器，你沒有看錯，我們常說的暫存器就是這個東西，類似於平常運算過程用到的可擦寫草稿紙。

上圖左側是十六進位制操作碼，右邊是將資料從一個暫存器複製到另一個暫存器的操作。

你不滿足，還要繼續搭建更加複雜的電路以儲存更多資訊，同時提供定址功能，就這樣記憶體也誕生了。

暫存器及記憶體都離不開上一節那個簡單電路，只要通電，這個電路中就儲存資訊，但是斷電後很顯然儲存的資訊就丟掉了，現在你應該明白為什麼記憶體在斷電後就不能儲存資料了吧。

以上就是cpu計算的原理了，如前所述，真正的計算機在執行的時候，是通過逐條讀取存放在記憶體中的相應指令，然後進行計算和操作實現的。被機器所識別並執行的機器指令或操作指令，會被編碼成方便人類理解的築基形式，就是組合語言。

再接上一篇文章程式是如何在計算機上被執行的？（上篇：軟體部分），從後往前讀，就是整個程式在計算機上執行的流程了。

總結：

回顧一下，程式語言是經過如下流程在計算機上執行的：

程式語言---語法分析、詞法分析---轉換成組合語言---機器指令---cpu執行---邏輯閘---與或非

這樣看，所有語言，不管是js，python，go還是其他的，最終都會被解析成組合語言在cpu上執行。那麼，所有語言，都是等價的，所有語言都可以通過編譯器實現從一種語言到另一種語言到轉換。

當計算機執行程式時，我們會發現每一層表現形式不一樣，但本質都是計算，而且每一層都是建立在下一層基礎上的抽象。雖然分了很多層，所有層都是等價的，層和層之間有明確邊界，越到下層牽涉到的基礎單元越多，越到上層越簡潔。

抽象對我們在電腦科學中做的每件事都很有幫助。抽象使得編寫一個大型程式成為可能，將其劃分為小而且容易理解的部分，用C這樣的高階語言編寫這樣的程式不用考慮彙編，用匯編寫程式碼不用考慮邏輯閘，用邏輯閘來構建處理器不用太多考慮電晶體，抽象是如此重要。

不管是計算機網路分層原理，計算機系統，應用…都有抽象，都是為了讓使用者更易用更好用，至此，理解了cpu，理解了語言的解析和執行、理解了分層和抽象，完。