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楼主带你深入底层了解我们每天使用的电脑到底是怎么工作的
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-洛天依
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电脑我们每天都会使用,但是你真正了解你的电脑嘛?
本贴带你深入底层了解电脑的结构和工作原理
注意事项:
1:由于本帖内容较多禁止过长的水贴插入,发现直接删除
2:本帖所有内容基于冯诺依曼结构计算机
3:本帖所述内容可能因为科技发展而发生变化,仅供参考
4:由于更新时间较长请善用收藏,楼主不@
5:没什么要说的了呢,正文开始!
Ps:楼主听歌码子中,耐心等待( 也许码完字就听完LL歌曲合集了呢)
LL镇楼,若奇迹有颜色,那必定是橙色(本来想放毒的,想想还是不放了)
-洛天依
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提到计算机的硬件基础,我们就不得不从晶体管开始说起
晶体管电路元件是现代数字电路的基础,那么我们先来了解一下
若在半导体中掺入5价元素就会形成电子型半导体(N型半导体),其中多数载流子为电子
若在半导体中掺入3价元素就会形成空穴型半导体(P型半导体),其中多数载流子为空穴
将PN两种半导体结合在一起,称为PN结,当P区为甄姬,PN结正向偏置,反之亦然
当正向偏置时电阻极小称为导通状态,当反向偏置时电阻较高称为截止状态
这就是半导体的开关效应,大家可以通过楼下的图详细了解
-洛天依
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有了这些基础的数字电路知识后我们来说数字逻辑电路的最底层原件逻辑门
通过二极管,三极管,mos管组成的逻辑门使得电路拥有最基本的逻辑问题处理能力
通过二极管和三极管工作的逻辑门称为:双极型逻辑门
通过mos管工作的逻辑门称为:单极型逻辑门(根据导电勾道不同分为Pmos、Nmos、Cmos(互补))
最基本的逻辑门包括:与、或、非
与逻辑:两个输入一个输出:若两个输入均为1则输出1,反之输出0,类似两个开关串联
或逻辑:两个输入一个输出:若两个输入中任意一个为1则输出1,反之输出0,类似两个开关并联
非逻辑:一个输入一个输出:输入1则输出0,反之亦然
3种双极型逻辑门和单极型逻辑门电路图可参考下图(电路设计不唯一,同种功能有很多电路实现方法,反应速度,抗干扰,发热和能耗都是考虑的关键)
-洛天依
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计算机世界中只有1和0,因此只用两种状态
但在很多时候我们希望更多的原件共用一根数据线,1和0都是数据的一部分,多个原件同时传输就会引发混乱,此时我们希望同一瞬间只有一个原件在传输信号,因此我们引入一个新的概念三态门
三态门在1和0之外还有一种输出状态称为禁止(高电阻)
顾名思义,这是停用这个原件的意思,这样我们就可以保证在同一瞬间只有一个元件正在同一根线路上传输数据(事实上“片选”“地址”等概念就此产生,但是我们以后再深究)
三态门除了数据线还多一根使能(ENB)线,若该线为高电位则门电路工作,反之门电路禁止
可以通过下面的图来简单理解这个概念,以后的内容中,关于地址和片选等部分还会再次进行介绍。
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继续向下说:我们将门电路进行复杂的组合来实现我们需要的功能,我们可以通过真值表和逻辑表达式计算出需要的电路并对它进行化简(就像一个方程一样)这涉及到一门被称为离散数学的科学,本帖不讲数学(楼主不会数学)
下面我们就来通过实例来了解复杂的逻辑电路如何被组合出来
以加法器为例,我们需要计算一下加法,因此需要加法器电路,电脑中的数学很简单只有1和0,因此我们要计算的加法分为
0+0=0
0+1=1
1+0=1
1+1=0(进位)
同时我们的电路还要接受来自更低位的进位信号因此可能性有8种
无进位0+0=0
无进位0+1=1
无进位1+0=1
无进位1+1=0(进位)
进位0+0=1
进位0+1=0(进位)
进位1+0=0(进位)
进位1+1=1(进位)
因此我们设计的电路应该有3个输入线分别用来输入两个加数和一个进位信号,2个输出线分别输出运算结果和进位信号
我们在等号左边用F表示运算结果,C表示进位信号
等号右边XY表示输入的加数,C表示进位信号输入
则得出真值表达式:
F = X(非Y)(非C) + (非X)Y(非C) + (非X)(非Y)C + XYC
C = XY(非C) + X(非Y)C +(非X)YC + XYC
据此设计如下图左侧所示的电路并化简
进位信号表达式可简化为:
C = XY + XC + YC
因此电路简化为下图右侧所示
(注:电路已省略供电部分)
-洛天依
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现在我们的电路已经可以计算1位二进制加法了
你一定会说:有卵用呀?一个一加一你都快玩出花来了。
现在看上去确实没卵用,一位1+1而已,现在我们把4个这样的电路的进位信号组合起来,就得到了4位加法器
如图所示
现在是不是可以算4位数(二进制)的加法了
-洛天依
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-洛天依
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然而现实并没有那么美好,这样的电路存在致命的缺点:
下一位的运算必须等待上一位运算完毕,进位信号产生后才能进行(门电路由mos管组成,每个mos从截止到饱和都需要时间,整个门电路也因此需要反应时间,虽然这个时间对人类可以忽略但是对于高速运转的计算机是不可忽略的)
因此我们需要优化设计添加专门的电路使得需要的进位信号全部同时产生(这被称为超前进位电路)
下图介绍了一种4位超前进位加法器
具体计算我们不详细说明,有兴趣的小伙伴可以研究下面这个电路图(供电部分已经省略)
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