关于计算1+1=2，电脑到底经历了什么？底层到底是如何工作的？

前言：（我尽量会讲的比较比较详细，然后我们跳过深的话题，涉及一点点底层。）

   现在我们几乎每天都要上网。首先我们都是需要输入URL（网址），然后返回一些内容，也就是我们看到的东西（结果页面）。今天我想给大家讲讲从输入网址，到按下回车键，到底发生了哪些事。（希望大家能够耐心看完，底层我尽量不涉及太多，只要大致懂每个环节是什么就行。这里涉及硬件，底层，软件等等一些知识）。
-----------不管你是学生，还是已经工作了，希望这篇文章都对你有帮助哈。
-----------不知道大家有没有想过一个问题，我们自然界本来就只有泥土，岩石，河流，阳光等等之类的东西。到底是怎么演变成今天的世界的？可能你曾经甚至会感慨什么是电？到现在你可能会去想什么是电脑，什么是互联网。它是怎么工作的，本来自然界只有泥土给我们，是如何演变成今天的互联网的新时代，当然都要全部历程都讲一遍，可能一天也讲不完（而且我也讲不了哈哈）。

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硬件部分（涉及到一些 模电，数电 等等知识，后面文章讲软件，网络架构大方向）

why  计算机能够算出 1 + 1 = 2 ？ 什么是1 ？ 什么是2 ？ 什么是 + ？在自然界最先只有泥土给我们的地球，我们该如何标识这些东西？ 

    我想从上面的简单一道题目开始讲起，其实我们都知道计算机只有0和1两种东西。那么什么是0？什么是1？其实我们定义0和1就是电压的高低，就是低电平就是0，高电平就是1 。具体电压多少判断是0和1，就要看电压的阀值定义的多少，比如阀值定义成1.5v。我们定义1.5v以下的就是0，1.5v以上的就是1。这就是计算机的0和1 。然后你也会问什么是电压？什么是电？（兄dei，这样回答的话我写到天亮也回答不完。当然，我这里还是啰嗦回答一下，大神略过）
    电的本质是带电粒子的定向移动，我们规定正电荷移动的方向为电流方向。金属导体主要就是靠电子运动来导电的，我们都知道原子核外部都是电子，然后说白了就是高中的一些物理，化学的东西。为什么我们常说金属会导电？我简单讲一下：然后我们都知道原子是电中性的，所以原子核是带正电，核外电子带负电，然后电子一直绕着原子核做运动。（可以类比飞船绕着地球运动）。但是金属内部原子核比较大，然后每个金属原子原本就是紧密连在一起，甚至会使原子核之间产生相交，产生重叠，引力相互影响，然后使得最外层的电子轨道也可能相互挨着，正常情况下，可能还是保持电子是一种平衡状态。但是一旦有任何的风吹草动，然后电子就会脱离原子核，沿着风吹草动的方向定向移动，这就是电流！卧槽，原来这就是电流，简单嘛，那么风吹草动哪里来。这里我举一个例子。你们记不记得那个谁？（找个大佬照片不容易）。



对，那个法拉第的人，不知道他是闲着无聊还是怎么的，就拿闭合的导线去切磁感线（磁感线就是两个磁铁之间的空间）。卧槽，居然产生了电流，结果他就出名了啊（因为从此磁可以生电了），还是牛逼（当然，这些都是非人类，随便一个举动都是人类的转折点）。这里应该没人问我铁和磁铁怎么来的吧。（铁其实就是一些矿石，里面含有（Fe2O3、Fe3O4、FeO），然后我们找一些还原剂（C、CO、H2）然后用火烧，还原成铁（Fe）。然后磁铁是一种氧化铁Fe3O4，这种材料具有磁性。）
       --------看到这，你或许就说，我擦，这不都是我高中学过的东西，电流不就是这些鬼东西，铁不就是石头里面提炼出来的吗。好好好，接下来这些东西我就不讲那么详细了。 其实我想说的就是，计算机的很多原理，就和我们高中学的东西一样，其实也都是一样都是我们学过的，差的是我们细心总结（当然，我还是渣渣。）好，我继续讲1 + 1 = 2.
     接下来普及一些底层的知识，来，我科普一些完成1+1=2需要用到的主要元器件：晶体管（有P型和N型），三极管
        若在半导体中掺入5价元素就会形成电子型半导体（N型半导体），其中多数载流子为电子（负电），
        若在半导体中掺入3价元素就会形成空穴型半导体（P型半导体），其中多数载流子为空穴（正电），
        将PN两种半导体结合在一起，称为PN结，当P区为正极，PN结正向偏置，反之亦然，

        当正向偏置时电阻极小称为导通状态，当反向偏置时电阻较高称为截止状态，
        这就是半导体的开关效应。

    

        讲了这么多晶体管（二极管，三极管，场效应管等）有什么作用？ 其中重要的一个就是开关效应，可以让你往一个方向走，而不能逆方向走（很重要的特性）。
比如A到B是导通状态。

     电流   A-->---->---->---->---->---->B    OK         

     电流    B --->-->--->----->---->---->A   不OK(截止状态)

        给一个图： 不想看的不要看，不影响     三种情况的开关
    


        好，我接来下还是讲一下三极管（是由晶体管构成的）：我们只要记住有NPN，PNP两种类型的三极管，还是看图or直接看我结论



        总之这么一个东东作用就是：  它可以规定电流导通，截止，可以让电流放大，缩小，等等（想到模电当时各种NPN，PNP公射，共集，共基，场效应，MOS管等。。多么痛的领悟）。
        现在讲重点了！！ 下面四个逻辑运算很重要，计算机一切的逻辑运算就是由下面基础构成的，包括我们的什么+  ，- ， x ， 除。

          与：两个
d048
输入一个输出，当两个都是1时候才是1，反之0。
          或：两个输入一个输出，只要有一个1结果就是1，反之0。
          非：一个输入一个输出，输出总与输入相反，反之0。

            与非：两个输入一个输出，当两个输入均为1时输出0，反之输出1            
            或非：两个输入一个输出，当两个输入均为0时输出1，反之输出0            
            异或：两个输入一个输出，当两个输入不同时输出1，反之输出0            
            同或：两个输入一个输出，当两个输入相同时输出1，反之输出0
         下面就是逻辑门的基本元器件，就是这些鬼东东，由刚才前面说的晶体管（二极管，三极管等等管组成）。
           


        比如我们看第一个图的与门，D2就是刚才说的“开关”，电流只能从一个方向移动，也就是三角形的指的方向。设想一下 比如A和B输入端，有任何一个是低电平（也就是0），这样Vcc的电压就会流过A或者B，电压全部落在电阻上。这样L点的电压是不是就变成0了？如果A和B都是大电压，这样没有电流，因为二极管方向只能规定流向A或者B，而不能是A和B流出。这样L点和Vcc电压都是一样的，因为电阻上没有电压，故L是1（高电平）。
这就是上面说的与门 组成原理。 同理CMOS电路也是一样的， 输入是A和B，通过图中单向导通，我们组合场晶体管（效应管），就会有上面的逻辑门。
       然后我们需要逻辑门的组合，整一个加法器。 这里大家应该都知道什么是2进制吧。 就是计数时候满2进1。
       比如 2位2进制有  00  01  10 11       分别代表  0 （0x2的1次方+0x2的0次方）  1（0x2的1次方+1x2的0次方）    2（1x2的1次方+0x2的0次方）   3  （1x2的1次方+1x2的0次方）
        然后我们想要的结果无非就下面几种情况  两个XY表示输入，一个F输出，一个C进位，下面列出8种情况。（不用看，看结论）
    无进位0+0=0
    无进位0+1=1
    无进位1+0=1
    无进位1+1=0（进位）
    进位0+0=1
    进位0+1=0（进位）
    进位1+0=0（进位）
    进位1+1=1（进位）
    因此我们设计的电路应该有3个输入线分别用来输入两个加数和一个进位信号，2个输出线分别输出运算结果和进位信号
    我们在等号左边用F表示运算结果，C表示进位信号
    等号右边XY表示输入的加数，C表示进位信号输入
    则得出真值表达式：
    F  = X（非Y）（非C） + （非X）Y（非C） +　（非X）（非Y）Ｃ　＋ XYC
    C = XY（非C） + X（非Y）C +（非X）YC + XYC
    据此设计如下图左侧所示的电路并化简
    进位信号表达式可简化为：
    C = XY + XC + YC

结论是  我们发现了加法符合这样的逻辑门关系：
F  = X（非Y）（非C） + （非X）Y（非C） +　（非X）（非Y）Ｃ　＋ XYC  一位输出

C = XY + XC + YC    进位  我们根据公式，然后设计出下面的逻辑门电路的组合。



总之你只要知道，设计成这样的电路，输入0或者1，就可以算出对应的1位加法器。
然后如果是算多位的加法的话，就把他们连起来，如下图。其中加法器，下面的图是最简单的了。我记得还有什么74LS181什么的贼复杂，图我就不放出来了。



上面这幅图的意思就是   可以做两个4位2进制的数相加了



到这，我们已经大致讲了一下，真正底层设计和实现加法器了。当然还有一些显示屏，外界硬件设备的控制输出，这些也是更高的话题。

我这里就用了1 + 1 = 2 比较详细的解释了一遍。 其实底层很多很多这样的东东，远比我们想的复杂，接下来我就只讲一下概念。

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介绍一下编码和解码，其实计算机底层只有 0 或者 1的二进制， 我们看到的任何文字，图片，无非都是这些组成的。 所以我们就要约定，什么情况下，什么数字对应什么东西。
比如：ASCII编码用数字代替字符，位图文件逐一记录各个像素点的RGB颜色（00AAFF什么的）
文件的后缀名就是用来告诉计算机这个数据的编码方式，比如：
EXE指令数据
TXT文本
JPG位图
下图提供了ASCII编码下各个字符与数字的对应关系，这种标准已经沿用许久，甚至早到显示器还没有发明，因此那时候这个编码被用于打印机，可能有一些内容现在的已经无效，但是为了保证老设备兼容性而没有修改。



然后就会对应解码，解码就是把对应的东西，拆成01010101，其实和加法底层都是一样，都是一些逻辑电路，编码，译码器。关于底层我就设计这么多吧，就是希望能够给大家一个印象，能够了解元器件工作的原理。所以想想一个诺基亚，都是沉淀了无数智慧的结晶，再次向前人致敬。

这次我就想讲到这里，这些都是辛苦一字字敲出来的，如有不对，欢迎留言。接下来可能想讲一下大一点的方向，网络如何建立连接，讲一下互联网的一些流行协议，以及如何构建了今天这个高信息互联网。