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电脑逻辑0与1是怎么实现四则运算的?

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楼主
发表于 2019-7-21 08:12:44 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
首先,你在键盘上依次按下了1+1。
键盘上的电路触点被接通。键盘主控芯片此时在不停地、依次地检测各个触点两端是否导通,于是它发现了按键。按照预先烧录的程序,它在向USB线上发送的电信号中写入一个数字,告诉线另一头的庞然大物:“有键被按下了!”
信号内容——左边的ctrl没按 左边的shift没按 左边的alt没按 左边的win没按 右边的ctrl没按 右边的shift没按 右边的alt没按 右边的win没按,啦啦啦啦啦啦啦啦,按了“1”键,别的没按,别的没按,别的没按,别的没按,别的没按。
USB线的另一头连着电脑。电脑上的USB控制器读到了信号,把它转交给CPU(对,就是灯等灯等灯生产的那个)。CPU暂时停下了手上的工作,运行了操作系统中的一小段程序,把按键记录了下来。
CPU的动作很快,它总是马不停蹄地忙活各种不同的事。终于,它开始处理这个按键了。CPU上运行着操作系统,操作系统看到你按了键,于是找到了你正在操作的计算器程序。按照事先的约定,操作系统告诉CPU,“你去关心下计算器吧,它处理按键的程序在这里”。
于是,计算器中的一段程序开始运行。它读出按键“1”,记了下来。它告诉图形库,“给我在屏幕上显示1”。
图形库照着做了,它通知操作系统“在计算器的窗口上用这个字体、这个字号画上1”。操作系统找到了负责绘图的GUI(不是“鬼”)模块,一个点一个点地把“1”画了出来:
白黑白
黑黑白
白黑白
白黑白
白黑白
黑黑黑
就这样,屏幕上依次显示出了“1+1”。
当计算器读到回车的时候,它知道自己摊上大事了。
计算器想起自己读过1,加号,还有另一个1。它想,加号是个低优先级的二元运算符(就是两块钱做一次的运算符(误)),那么它两边的1就应该是用来加的两个数了。它分析道,“这是要做一个加法的节奏啊”。
于是,它把之前拿到的左边的1和右边的1取了出来,然后告诉CPU——
你快给我算出来:加法,这个数(左边的1),那个数(右边的1)。
在程序猴子们的视角下,这是一条长这样的指令:add %rcx, %rdx。在电脑的视角下,这是一条长这样的指令:010010000000000111001010。
CPU看到这条指令,很快明白了要做的事,把之前计算器获得的两个数000...01和000...01放到了用于计算的电路上。数字在电路上走着走着,来到了一段叫ALU的电路里。首先,末尾的两个小1经过了几道门,它们变成了小1(进位)和小0(当前位),然后进位的小1又和倒数第二位的两个小0擦出了激情的火花,变成了小0(进位)和小1(当前位)……
啊,这样写下去节bian4奏cheng2不xiao3太huang2对wen2了呀。
这里描述的是一个朴素的加法器——用逻辑门(二进制位运算)逐个算出进位,依次计算每一位的结果。
但这样的效率是很低的,因为高位的计算要等低位的进位算出来之后才能继续。事实上,现代的CPU里普遍会使用进位预测器。
一个常规的进位预测器通常是依次将进位信息从低位向高位推1,2,4,8……位。下面是用软件实现的Kogge-Stone加法器:
# input a, b
g = a & b
p = a ^ b
g = p & (g << 1) | g
p = p & (p << 1 | 0b1)
g = p & (g << 2) | g
p = p & (p << 2 | 0b11)
g = p & (g << 4) | g
p = p & (p << 4 | 0b1111)
sum = a ^ b ^ (g << 1)
在硬件实现中,位运算对应各种逻辑萌…哦不对,逻辑门;而位移,直接把电路接上就可以了。为了避免电路的规模过大,有时会将预测器和朴素方法混合使用。
总之,它们最终变成了000...10。当两个1的基情结晶从电路的另一头出来的时候,计算器收到了结果——1+1=2。
然后计算器说,“好,再把2显示出来吧”。于是它再次找到了图形库,把结果画在了屏幕上。
白黑白白白白白白白黑白
黑黑白白白黑白白黑黑白
白黑白白黑黑黑白白黑白
白黑白白白黑白白白黑白
白黑白白白白白白白黑白
黑黑黑白白白白白黑黑黑
白白白白白白白白白白白
白白白白白白白白白黑白
白白白白黑黑黑白黑白黑
白白白白白白白白白白黑
白白白白黑黑黑白白黑白
白白白白白白白白黑白白
白白白白白白白白黑黑黑
我们得到了2。

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沙发
 楼主| 发表于 2019-7-21 08:12:54 | 只看该作者
一、中缀表达式需要转换成后缀表达式,转换算法:

1、遇到操作数:直接输出(添加到后缀表达式中)

2、栈为空时,遇到运算符:直接入栈

3、遇到左括号:将其入栈

4、遇到右括号:执行出栈操作,并将出栈的元素输出,直到弹出栈的是左括号,左括号不输出。

5、遇到其他运算符,加减乘除:弹出所有优先级大于或者等于该运算符的栈顶元素,然后将该运算符入栈

6、最终将栈中的元素依次出栈,输出。

例如:a+b*c+(d*e+f)*g ----> abc*+de*f+g*+

二、后缀表达式求值:

1、设置一个栈,开始时,栈为空;

2、然后从左到右扫描后缀表达式,若遇操作数,则进栈;

3、若遇运算符,则从栈中退出两个元素,先退出的放到运算符的右边,后退出的放到运算符左边,运算后的结果再进栈,直到后缀表达式扫描完毕;

4、最后,栈中仅有一个元素,即为运算的结果。

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