CPU工作原理：最简单的元器件，构成了最复杂的运算

众所周知，人类计算的本质是检查表格，我们存储的表格有限。那么，计算机是如何进行四个操作的呢？也是查表吗？答案肯定不是！今天，我们来谈谈CPU是如何计算1 1的。

现代计算机，又称电子计算机，必须由电路和电子元件实现。众所周知，计算机的核心是处理器（CPU），它的职责是计算。CPU它是一个大型集成电路。如果我们想了解计算机的计算机制，我们需要了解集成电路是如何具有计算能力的，集成电路是由大量的晶体管和其他电子元件包装的。

因此，要探索计算机的计算能力，首先要从晶体管的功能入手。

晶体管如何表示0和1

从第一台电脑到EDVAC，这些计算机使用电子管和二极管等元件，利用这些元件的开关特性实现二进制计算。然而，电子管元件有许多明显的缺点。例如，运行过程中产生的热量过多、可靠性差、运行速度差、价格昂贵、体积大，限制了计算机的发展。因此，晶体管开始被用作计算机元件。

晶体管利用电信号控制自己的开关，开关速度可以非常快，实验室的切换速度可以达到100GHz以上。使用晶体管后，电子线路的结构发生了很大的变化，进入了以晶体管为代表的第二代电子计算机时代。

1947年，贝尔实验室的肖克利和其他人发明了晶体管，也被称为三极管。下图显示了晶体管的电路符号。需要注意的是，晶体管有多种类型，每种类型分为N型和P型，下图中的电路符号为N型晶体管。

晶体管电路有两种状态：导向和截止状态，可作为二进制的基础。从模电的角度来看，晶体管仍然处于放大状态，但我们认为晶体管应用于数字电路，只需要作为开关电路，即导向和截止。

如上图所示，b处电压>e在电压下，C极和E极在晶体管中截止；当B处电压时

换句话说，这个三极管的b极电压相对e极低，三极管通常会导通，相对e极高，三极管通常会截止。从这里可以看出，晶体管的引导和截止日期可以用B极电压的相对高度来表示，这表明我们可以用高电平或低电平来表示二进制。也就是说，B极是一个输入（自变量），可以作为变量存储两个值：高电平或低电平；相应的输出值（因变量）是电路的实际变化：导向或截止日期。

就上述N型晶体管而言，高电平截止，低电平导通。如果此时，我们将高电平视为1，低电平视为0。然后B极输入1会导致电路截止。如果电路控制计算机开关，则计算机将关闭。这就是机器语言的原理。

实际用于计算机和移动设备的晶体管大多是MOSFET也分为N型和P型，NMOS就是指N型MOSFET，PMOS指的是P型MOSFET。注意，MOS中的栅极Gate晶体管中的b极可以类比，整个电压可以控制MOS管道的导通和截止状态。

NMOS电路符号如下图所示：

PMOS电路符号如下图所示：

NMOS在极高电平的情况下导通，在低电平的情况下截止。NMOS的高电平表示“1”，低电平表示“0”；PMOS相反，即低电平为“1”，高电平为“0”。到了这个时候，你应该明白“1”和“0”只是两个电信号，具体来说是两个电压值，这两个电压可以控制电路的通断。

门电路

一个MOS只有一个栅极，即只有一个输入；输出只是一个简单的电路导通和截止功能，不能输出高低电压信号，即不能表示1或0，自然不能完成计算任务。此时，将引入门电路（提示：本文中的电压、电平和电信号）。

门电路是数字电路中最基本的逻辑单元。它可以在输出信号和输入信号之间产生一定的逻辑关系。门电路由多个二极管、晶体管和其他电子元件组成，用于实现基本逻辑和复合逻辑。这里只介绍最基本的门电路：门、门、非门、不同或门。

1、与门

和门电路是指只有当一件事的所有条件都满足时，事情才会发生。

下面是由MOS由管道组成的电路图。A和B作为输入，Q作为输出。

例如，A输入低电平，B如果输出高电平，Q将输出低电平；转换为二进制是A输入0B输出1，Q将输出0，相应的C语言操作表达式为0&&1=0。

2、或门

或门电路是指只要满足一个或多个条件，事情就会发生。

下面是由MOS由管道组成的电路图。A和B作为输入，Q作为输出。

例如，A输入低电平，B输入高电平，那么Q就会输出高电平；转化为二进制就是A输入0、B输出1，Q将输出1，相应的C语言操作表达式为0||1=1。

3、非门

非门电路又称否运算，又称反运算，因此非门电路又称反相器。

面是由MOS由管道组成的电路图。非门只有一个输入A，Q作为输出。

例如，如果A输入低电平，Q将输出高电平；如果转换为二进制，则A输入0，则Q将输出1；相反，A输入1，Q会得到0，相应的C语言操作表达式为！=1。

4、异或门

不同或门电路是判断两个输入是否相同，不同或不同意味着不同的结果是真实的。也就是说，当两个输入电平不同时获得高电平时，如果输入电平相同，则获得低电平。

下面是由MOS由管道组成的电路图。A和B作为输入，Q作为输出。

例如，A输入低电平，B输入高电平，Q输出高电平；转换为二进制是A输入0，B输出1，Q将输出1，相应的C语言操作表达式为0^1=1。

我们可以通过这些门电路计算布尔。

半加器和全加器

通过门电路，我们可以进行逻辑操作，但不能进行加法操作。还需要更复杂的电路单元：加法器（加法器包括半加法器和全加法器）。加法器是由各种门电路组成的复杂电路。

如果要实现最简单的加法运算，计算二进制数1 1等于几。这时我们可以用半加器来实现。半加器和全加器是算术运算电路中的基本单元，是完成一位二进制的组合逻辑电路；这里的一个是我们常说的1byte=8bit”里的1bit，也就是说，要完成8位二进制的运算，需要8个全加器 。半加器这种加法不考虑低位进位，所以叫半加。下图为半加器电路图。

半加器由与门和异或门电路组成，=1所在的方框是异或门电路符号，&所在的框架是与门电路的符号。B作为输入端，输入端A和输入端，因为没有考虑低位的进位B分别代表两个加数。输出端为S和C0，S是结果，C0是进位。

比如，当A=1，B=0时，进位C0=0，S=1，即1 0=1。当A=1，B=1.进位C0=1，S=0，即1 1=10.这10是二进制，用2代替十进制，即10 1=2.在这里，你应该明白如何计算晶体管1 1=2了吧。

然后我们用这些来组成全加器。以下是全加器电路图，也只支持1bit计算。Ai和Bi是两个加数，Ci-一是低位进位数，Si是结果，Ci是高位进位数。

如果我们将四个加法器连接在一起，我们可以计算四位二进制，例如计算2 三、四位二进制是0010 0011，下表是用加法器计算的值。和普通加法一样，从低位计算。加数A代表0010，B代表0011。

结果Si：0101，就是十进制5，加法器实现了十进制运算2 3=5。

结 语

现在我们可以想到，CPU计算单元是由晶体管等基本电子元件组成的门电路。在控制电路控制信号的配合下，由多个门电路组合成各种复杂的操作电路。集成电路单元越多，计算能力越强。