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[導(dǎo)讀]我們都知道,人類進行運算的本質(zhì)是查表,并且我們存儲的表是有限的。那么,計算機是怎樣進行四則運算的呢?也是查表嗎?答案肯定不是!今天,我們就來說說CPU是如何計算11的?,F(xiàn)代計算機又叫電子計算機,肯定是由電路和電子元件來實現(xiàn)的。我們都知道,一臺計算機的核心就是處理器(CPU),它的...


我們都知道,人類進行運算的本質(zhì)是查表,并且我們存儲的表是有限的。那么,計算機是怎樣進行四則運算的呢?也是查表嗎?答案肯定不是!今天,我們就來說說CPU是如何計算1 1的。


現(xiàn)代計算機又叫電子計算機,肯定是由電路和電子元件來實現(xiàn)的。我們都知道,一臺計算機的核心就是處理器(CPU),它的職責(zé)就是運算。CPU是一塊超大規(guī)模的集成電路,我們要想弄清楚計算機的運算機制,就要了解集成電路是如何具有運算能力的,而集成電路是由大量晶體管等電子元件封裝而成的。


所以,探究計算機的計算能力,先要從晶體管的功能入手。

晶體管如何表示0和1


從第一臺計算機到EDVAC,這些計算機使用的都是電子管和二極管等元件,利用這些元件的開關(guān)特性實現(xiàn)二進制的計算。然而電子管元件有許多明顯的缺點。例如,在運行時產(chǎn)生的熱量太多,可靠性較差,運算速度不快,價格昂貴,體積龐大,這些都使計算機發(fā)展受到限制。于是,晶體管開始被用來作計算機的元件。


晶體管利用電訊號來控制自身的開合,而且開關(guān)速度可以非常快,實驗室中的切換速度可達100GHz以上。使用了晶體管以后,電子線路的結(jié)構(gòu)大大改觀,進入了晶體管為代表的第二代電子計算機時代。


1947年貝爾實驗室的肖克利等人發(fā)明了晶體管,又叫做三極管。下圖是晶體管的電路符號。需要說明的是,晶體管有很多種類型,每種類型又分為N型和P型,下面圖中的電路符號就是一個N型晶體管。



晶體管電路有導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài),這兩種狀態(tài)就可以作為“二進制”的基礎(chǔ)。從模電角度來說晶體管還有放大狀態(tài),但是我們此處考慮的是晶體管應(yīng)用于數(shù)字電路,只要求它作為開關(guān)電路,即能夠?qū)ê徒刂咕涂梢粤恕?/span>


如上圖所示,當(dāng)b處電壓>e處電壓時,晶體管中c極和e極截止;當(dāng)b處電壓


換句話說,這個三極管的b極電壓相對e極為低電平時三極管就會導(dǎo)通,相對e極為高電平時三極管就會截止。從這里可以看出,晶體管的導(dǎo)通與截止這兩種狀態(tài)對外可以使用b極電壓的相對高低來表示,進而說明了我們可以使用高電平或者低電平狀態(tài)來表示二進制。也就是說b極是一個輸入量(變量),可以作為變量存儲兩個數(shù)值:高電平或低電平;相應(yīng)的輸出值(因變量)就是電路實際的變化:導(dǎo)通或截


就上面這個N型晶體管而言,高電平截止,低電平導(dǎo)通。假如此時,我們把高電平作為“1”,低電平作為“0”。那么b極輸入1,就會導(dǎo)致電路截止,如果這個電路是控制計算機開關(guān)機的,那么就會把計算機關(guān)閉。這就是機器語言的原理。


實際用于計算機和移動設(shè)備上的晶體管大多是MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管),它也分為N型和P型,NMOS就是指N型MOSFET,PMOS指的是P型MOSFET。注意,MOS中的柵極Gate可以類比為晶體管中的b極,由它的電壓來控制整個MOS管的導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)。


NMOS電路符號如下圖:



PMOS電路符號如下圖:



NMOS在柵極高電平的情況下導(dǎo)通,低電平的情況下截止。所以NMOS的高電平表示“1”,低電平表示“0”;PMOS相反,即低電平為“1”,高電平為“0”。到了這個時候,你應(yīng)該明白“1”和“0”只是兩個電信號,具體來說是兩個電壓值,這兩個電壓可以控制電路的通斷。


門電路


一個MOS只有一個柵極,即只有一個輸入;而輸出只是簡單的電路導(dǎo)通、截止功能,不能輸出高低電壓信號,即無法表示“1”或“0”,自然無法完成計算任務(wù)。此時就要引入門電路了提示:電壓、電平、電信號在本文中是一回事)。


門電路是數(shù)字電路中最基本的邏輯單元。它可以使輸出信號與輸入信號之間產(chǎn)生一定的邏輯關(guān)系。門電路是由若干二極管、晶體管和其它電子元件組成的,用以實現(xiàn)基本邏輯運算和復(fù)合邏輯運算的單元電路。這里只介紹最基礎(chǔ)的門電路:與門、或門、非門、異或門。


1、與門


與門電路是指只有在一件事情的所有條件都具備時,事情才會發(fā)生。


下面是由MOS管組成的電路圖。A和B作為輸入,Q作為輸出。


例如A輸入低電平、B輸出高電平,那么Q就會輸出低電平;轉(zhuǎn)換為二進制就是A輸入0、B輸出1,那么Q就會輸出0,對應(yīng)的C語言運算表達式為0
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