从晶体管到CPU：计算机底层原理详解
从晶体管到CPU：计算机底层原理详解
晶体管是计算机硬件中最基本的构建模块之一，它在CPU执行指令的过程中扮演着至关重要的角色。本文将从晶体管的基本原理出发，逐步介绍其如何通过不同方式的连接来实现CPU的运算功能。
晶体管的基本原理
晶体管可以被视为一个简单的开关。以NPN型三极管为例，它有三个端子：集电极、发射极和基极。当电流加入到基极时，会允许电流从发射极流向集电极。这种特性使得晶体管能够控制电流的流动，从而实现开关的功能。
图1 NPN型三极管的粗略示意图
逻辑门的构建
通过组合多个晶体管，可以构建出基本的逻辑门，如与门、或门、非门和异或门。这些逻辑门是构建更复杂电路的基础。
与门
与门的逻辑是：当所有输入都为1时，输出才为1；否则输出为0。这可以通过将两个晶体管串联来实现。
图2 与门的构成及其真值表
或门
或门的逻辑是：只要有一个输入为1，输出就为1；只有当所有输入都为0时，输出才为0。这可以通过将两个晶体管并联来实现。
图3 或门的构成及其真值表
异或门
异或门的逻辑是：当输入不同（一个为0，另一个为1）时，输出为1；当输入相同时，输出为0。这可以通过组合多个与门、或门和非门来实现。
图4 异或门的构成及其真值表
加法器的构建
通过组合多个逻辑门，可以构建出加法器，这是CPU进行算术运算的基础单元。
半加法器
半加法器可以对两个一位二进制数进行加法运算。它使用异或门计算和（sum），使用与门计算进位（carry）。
图5 半加法器的结构
全加器
全加器可以对三个一位二进制数进行加法运算，适用于多位二进制数的加法。它由两个半加法器和一个或门组成。
图6 全加器及其真值表
CPU指令的执行
CPU通过二进制解码器将汇编指令转换为机器可以理解的0和1，然后通过算术逻辑单元（ALU）执行相应的运算。
二进制解码器
二进制解码器将读取到的指令进行解码，从而控制对应的运算单元。每个组合在接收到特定的二进制数后，都会触发要激活的特定输出，同时停用所有其他输出。
图7 二进制解码器的逻辑门组成结构
算术逻辑单元（ALU）
ALU接受输入值以及一个操作码，用于确定执行何种算术运算。它生成指定操作的结果以及其他信息，如结果是否为负、是否为0或是否溢出。
图8 ALU的宏观展示
通过上述组件的协同工作，CPU能够执行各种算术和逻辑运算，从而实现复杂的计算任务。