CPU的工作原理2——基本門電路

上節(jié)我們介紹了CPU的基本單元是晶體管開關(guān)，接下來我們就看看這一堆開關(guān)組合在一起能做什么？首先我們需要用晶體管開關(guān)制作幾種最基本的建筑材料——門電路。

這有一個(gè)晶體管開關(guān)，我們?cè)谳斎攵颂砑右粋€(gè)通道（細(xì)線），這條線比其他線更細(xì)，留意這點(diǎn)。

然后我們?nèi)藶橐?guī)定控制端為輸入端，新加的細(xì)線為輸出端。

請(qǐng)注意，雖然晶體管本身有固定的輸出、輸出、控制端，但作為使用者我們完全可以根據(jù)需要調(diào)整輸入端、輸出端的定義，只要輸入端的變化能引發(fā)輸出端變化即可。

接下來我們分析輸入和輸出端之間的關(guān)系，當(dāng)輸入端是0（0代表沒電，1代表有電），主通道關(guān)閉，從左邊過來的電流無法到達(dá)右邊，但可以經(jīng)這條細(xì)線流出，所以輸出是1。即輸入是0，輸出是1。

接下來輸入是1的話，主通道打開，電流從左邊流到右邊，因?yàn)橹魍ǖ劳?，輸出端（?xì)線）就沒有電流了。

我們可以做個(gè)類比，某天早晨打開水龍頭，發(fā)現(xiàn)沒水，一看新聞，原來市政主管道被挖斷了，路面上都能游泳了，所以家里就沒水了，這是同樣的道理，因?yàn)樗紡闹鞴艿懒髯吡?，家里的小管道自然就沒水了。所以輸入是1，輸出是0。

我們用一個(gè)表格記錄輸入、輸出之間的關(guān)系，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們之間存在相反的關(guān)系，所以這個(gè)簡(jiǎn)單的電路稱為非門電路，非就是相反的意思，門是一個(gè)形象的解釋，就好像一個(gè)開關(guān)，門打開，人能進(jìn)出，門關(guān)上，誰也不能進(jìn)出。這個(gè)非門電路以后我們經(jīng)常用到，為了簡(jiǎn)單起見，我用一個(gè)符號(hào)代表這個(gè)電路。其中的NOT就是非的意思。

然后我們看第二個(gè)門電路，這有二個(gè)晶體管開關(guān)，把他們首尾相連，然后將兩個(gè)晶體管的控制端當(dāng)做輸入，分別叫輸入A、輸入B，最后一個(gè)晶體管的輸出端當(dāng)做輸出。

然后分析下輸入和輸出的關(guān)系，當(dāng)輸入A=0，輸入B=1時(shí)，第一個(gè)開關(guān)主管道關(guān)閉，第二個(gè)開關(guān)主管道打開，電流無法從左邊流到右邊，輸出=0；當(dāng)輸入A=1，輸入B=0時(shí)，也是類似，輸出=0；當(dāng)輸入A=0，輸入B=0時(shí)，輸出當(dāng)然=0；而當(dāng)輸入A=1，輸入B=1時(shí)，二個(gè)開關(guān)都打開，輸出=1。

用表格整理一下，會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律，只有當(dāng)A、B都是1的時(shí)候輸出才是1，可以用一句話描述“當(dāng)輸入A=1并且輸入B=1時(shí)，輸出才=1”，其他的情況輸出都是0。這個(gè)電路稱為與門電路，與就是并且的意思。這個(gè)門電路以后會(huì)經(jīng)常用到，也用一個(gè)符號(hào)代表，其中AND就是與的意思。

接下來再用二個(gè)晶體管彼此相連，但不是串聯(lián)，而是并聯(lián)，也就是兩個(gè)輸入端連在一起，兩個(gè)輸出端連在一起。

注意，圖中那個(gè)圓弧代表二條線不是相連，因?yàn)樵谄矫嫔蠠o法畫出立體圖，大家可以想象一下，二條線一個(gè)在上一個(gè)在下，沒有任何接觸?，F(xiàn)在我們將兩個(gè)晶體管的控制端分別當(dāng)做輸入A、輸入B，輸出端不變，接下來分析輸入輸出之間的關(guān)系。

當(dāng)輸入A=0，輸入B=1時(shí)，下面這個(gè)晶體管打開，電流可以走下面通道從輸出端流出，輸出=1；當(dāng)輸入A=1，輸入B=0時(shí)，上面這個(gè)晶體管打開，電流可以走上面通道從輸出端流出，輸出=1；當(dāng)輸入A=0，輸入B=0時(shí)，二個(gè)晶體管都關(guān)閉，輸出=0；當(dāng)輸入A=1，輸入B=1時(shí)，兩個(gè)通道都打開，輸出=1。

使用表格總結(jié)一下，會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)規(guī)律：“只要輸入A或者輸入B有一個(gè)為1，輸出就=1”，這個(gè)門電路稱為或門電路，為了方便描述，使用這個(gè)符號(hào)代替或門電路，其中or就是或者的意思。

有了上面三種最基本的門電路，我們就可以組合出更復(fù)雜的門電路（姑且稱為二階門電路，與基本門電路區(qū)分），種類很多，比如與非門、或非門、異或門等等，我們舉其中一個(gè)例子——異或門。電路是這樣的，由二個(gè)與門、一個(gè)非門、一個(gè)或門組成。

電路分析用下面四張圖來表示，大家可以自己推理一下，看結(jié)果是否正確。

最后用表格統(tǒng)計(jì)出來：

它的規(guī)律是：當(dāng)輸入A和輸入B不同時(shí)，輸出=1。我們用這個(gè)符號(hào)來描述異或門。

其他二階門電路我們不一一介紹了，有興趣的讀者可以自己查閱資料，下節(jié)我們來看看由這些門電路如何制作加法器，實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算。