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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（自變量），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)通或截止。

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)通和截止狀態(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