中央处理器(CPU,Central Processing Unit)是一块超大规模的集成电路,是一台计算机的运算核心(Core)和控制核心( Control Unit)。它的功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。中央处理器主要包括运算器(算术逻辑运算单元,ALU,Arithmetic Logic Unit)和高速缓冲存储器(Cache)及实现它们之间联系的数据(Data)、控制及状态的总线(Bus)。它与内部存储器(Memory)和输入/输出(I/O)设备合称为电子计算机三大核心部件。
本文主要介绍继电器是如何组成cpu的,具体的跟随小编一起来了解一下。
一、从电池、开关和继电器开始
上图左上角是一个很普通的电路,由电池、开关电流表和灯泡组成。这个是初中物理学过的。上图右上角是对左上角电路的简单变形,用VCC代替了电池,用接地符号实现了回路。相当于把电池拆开来画了。电路功能是一样的。本文此后的电路图一般都采用VCC和接地表示电源。因为你会发现只有这样的画法能够让我们方便理解之后的电路图。
然后往下看,第三个电路图,那个圈圈里圈着个K的蓝色的东西,表示的是继电器。当继电器左侧有电流通过时,右侧的电路就断开;反之则联通。(对应地,也有那种左侧有电流通过时,右侧的电路就联通;反之则断开的继电器,稍后会用到)这个电路想让你知道的是,可以用继电器实现这样的功能:控制左侧的电路的通断,即可改变右侧电路的通断。换个方式说,就是左侧的电路通断情况决定了右侧的电路的通断情况。再往抽象了说,就是左侧电路代表了“输入”(Input)这个概念,右侧电路代表了“输出”(Output)这个概念。继电器则代表了“计算”(或者“算法”、“处理”等)(CPU)这个概念。硬件就是用这种电器设备的固有物理性质提供了最初的计算能力。
再往下看第四个电路图,它和第三个的区别就在于用VCC和接地符号代替了电池。初次看电路,我们有必要经历一次从电池到VCC和接地符号的过渡。以后的电路图,我们将直接使用VCC和接地符号,请务必在此处适应这样的画法。
然后是最下边这个电路。和第四个电路相比,它用一个“非门”的符号代替了“继电器、右侧电路电源和继电器的接地”这三个符号。也就是说一个“非门”实际上就是“继电器、右侧电路电源和继电器的接地”这三个东西的组合,而且画的时候省略了电源和接地符号。
之前在学校里学数字电路,我就是想不明白逻辑门的电源在哪儿,整个电路的通路在哪儿,所以一直学不好。现在有个这个电路图,感觉一切豁然开朗。
二、用继电器做个与门
刚刚我们用继电器做出了“非门”。可以看到只要用一个继电器就可以了。与门的电路如下图所示。
与门由两个继电器(这两个继电器用的都是跟做非门的继电器通断情形相反的那种)构成,只有当两个继电器左侧都通电时,右侧电路才能联通。这样就实现了“与”的功能。“与门”的符号是一个躺着封口的U形。
注:本文里我做的电路图片都是GIF格式的,你可以在浏览器里看到随着开关的开闭,输入和输出电路上的灯泡是如何变化的。每个图上都有(http://bitzhuwei.cnblogs.com)标识我的博客地址,不过每个GIF图的最后一帧都去掉了这个标识。这样,看到一帧没有标识的时候,就知道下一帧将是GIF图的第一帧了。
三、用继电器做个或门
“非门”、“与门”做出来了,“或门”也就不难理解了,直接上图大家体会吧。(导线交叉的地方,如果有个红点,表示是联通的,否则就是互不相干的)“或门”的符号像一个子弹。
四、用继电器做个异或门
“异或门”的功能是:左侧的两个输入电路一个联通另一个不联通时,右侧电路联通;否则右侧电路不联通。这次先画符号,大家可以先自己尝试用继电器画“异或门”,锻炼一下思维,然后再向下看答案。
答案揭晓!“异或门”的实现如下图所示。乍看很复杂,其实是有逻辑的。最右边的两个继电器其实是一个“或门”,最左边两个继电器是两个“非门”,中间两上两下共四个继电器,是两个“与门”。这样就好理解了。AB两个输入电路为A通、B不通的时候,整个“异或门”会通过下方的路线使灯泡亮;若A不通、B通,则会通过上方的线路使灯泡亮。其他情况灯泡都不会亮。
五、振荡器
振荡器能够不断地输出0、1、0、1、0、1、0、1……这样的信号。这种东西虽然一时说不上有什么用,不过一定是有用到的时候的。振荡器做起来也简单得离谱。看下图所示电路。
把非门的输出端连到输入端上。当输出为1时,输入也就成了1,那么输出就得变成0;然后输入也跟着变成0,这样输出又变回了1。循环翻转无休无止。振荡器能翻转多快,就看继电器的反应有多快了。(现代计算机用晶体管代替了继电器,晶体管比继电器翻转速度快得多,所以能够得到的频率更高,计算机的速度更快。而且晶体管比继电器省电)话说multisim12仿真的翻转速度也够可以的,本人截图也费了不少劲。
顺便给一个用继电器做振荡器的实际应用的例子:上学的时候上下课的铃声就是用继电器做的振荡器完成的。0101信号用锤子敲打铁盔表达了出来。
六、加法器
刚刚约定了,用1和0表示电路的通断。电路只有通断这两种状态,所以计算机只用0和1来表示数,这就是二进制啊。关于二进制和十进制的内容别人写得太多了,我就不提啦。要计算两个多位二进制数的和,可以分别计算各个数位上的结果,而各个数位的计算方法又是相同的,即“被加数+加数=》和的值+进位的值”。这用逻辑门表示如下图。
A和B表示加数和被加数,C表示前一位计算的进位的值,C1灯泡表示本次计算的进位的值,S1灯泡表示本次计算的和的值。我找了半天,也没在multisim12里找到一位二进制数的加法器件的符号,大家看这个图就可以了。
要计算多位数,把单位数加法器首尾相连就可以了,如下图所示。这两张图是从《穿越计算机的迷雾》中拿来的。如果侵权,请告诉我,不然我就偷个懒不自己画啦。