如何阅读CPU电路图：以6502为例

如何阅读CPU电路图：以6502为例

CPU是如何工作的？简单的晶体管又是如何组成复杂的逻辑电路实现各种运算的？本文将以经典的6502 CPU电路图为实例，带你从晶体管层面理解CPU的工作原理。通过本文，你将掌握如何阅读CPU电路图，并能从晶体管电路还原出逻辑门电路，一窥CPU内部运作的奥秘。

6502 CPU电路图概览

首先，让我们先大致了解一下6502 CPU的晶体管电路图。目前能找到的电路图有两个版本：

1. 一份PDF文档（6502 Schematic.pdf），这份文档中的电路图虽然没有详细到每根线都画出来，但关键组件的电路图都有，算是很简洁的一份电路图。
2. 一份GitHub上整理的SVG版本电路图，这份电路图非常详尽，详细到每根线、每个晶体管都有，是非常好的资源。

仔细研究上面的电路图，可以发现图中一共可总结出两种元件：

它们都是一种MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），再具体点，它们都是一种N型MOSFET，简称NMOS。MOSFET可以看作一种由电压控制的特制开关，其中NMOS在控制电压为高电平（逻辑1）时导通，低电平（逻辑0）时断开。

上图中，上部中间的连接端就是控制端。

耗尽型NMOS

既然都是NMOS，那A和B的区别是什么呢？答案是，A属于增加型NMOS，而B属于耗尽型。耗尽型NMOS的作用是充当负载，为其它MOS提供电压、电流，相当于一个电阻。充当负载时，它的一个连接端与供电相接（如下图），另一个连接端与控制端连接在一起，使它处于常导通状态。

基本逻辑门电路

根据NMOS高电平导通的特性，将它的一个端接地，另一个连接端搭配一个耗尽型NMOS的负载就可以构成一个非门。

当X为高电平时，下面的NMOS导通，Y相当于直接接地，此时Y为低电平；当X为低电平时，下面的NMOS截止，Y相当于与供电连接，此时Y为高电平。综上，这个电路是一个非门逻辑电路。

在非门的下方再串联一个NMOS，就得到了与非门。

在非门的旁边再并联一个NMOS，就得到了或非门。

电路图中还有一类非常常见的结构：

这种结构大概率表达的是一种锁存器——D-锁存器。锁存器是一种基本的存储元件，相当于一个1比特的内存，在时序逻辑中用于存储和保持状态信息。锁存器的使能端（E端）常与时钟信号连接，因此若在电路图中看到时钟信号接入了使能端，则这样结构很可能是锁存器。

实例分析：6502 ALU电路

有了上面的基本知识后，我们可以尝试解读一下CPU电路图了，看看能不能还原其中的逻辑。以下是6502 ALU一个计算单元的电路图（来自6502 Schematic.pdf），ALU由8个类似的单元串联组成，可完成8位二进制数（一个字节）的计算。

根据上面的知识，可以把相应的逻辑门标注出来：

其中只有蓝色框标记的部分不是基础逻辑门，但是应用非门的分析方法，不难得出它是一个与门和或非门的组合：

弄清楚之后，再把方块标记的部分转化成逻辑门表示：

未转化成逻辑门的NMOS相当于开关，负责数据通路的选择。其中x1x5是输入选择，x6x12负责运算选择，x14~x15负责输出目的地选择。去除掉这些选择器后，这个ALU计算单元的纯逻辑门电路如下：

对上面的电路进行逻辑分析可以得出，这个单元包含一个全加器，并同时可以进行“与”、“或”、“异或”运算。

特别一提的是，上面ALU计算单元的晶体管电路图中，橙色（或非门）与蓝色部分组成了异或门：

总结

本文介绍了NMOS及提示了逻辑门是如何使用NMOS构建的，并用一个实际的例子演示了如何从NMOS电路图还原逻辑电路。希望本文可以满足你的好奇心，如果大家对6502其它部分的原理也感兴趣，欢迎阅读后续文章。