从晶体管到CPU

晶体管是CPU中的最小组成元器件；
晶体管的组合，可以形成基本逻辑单元(非门、与非门、或非门...)；
基本逻辑单元的组合，可以形成基本逻辑电路(全加器、地址译码器、三态门、D锁存器、D触发器、移位寄存器)；
由基本逻辑电路的组合，可以形成一个最基本的概念CPU；

1.最小元器件(晶体管/场效应管)

晶体管有NPN型、PNP型
晶体管的三级分别为基极(B)、集电极(C)、射极(E)
对于NPN型，当基极给正电流，集电极射极导通，反之断开；
对于PNP型，当基极给负电流，射极集电极导通，反之断开；

晶体管.png

场效应管有N型、P型
场效应管的三级分别为控制极(G)、源极(Vss)、漏极(Vdd)
对于N型，当控制极给高电压，源极漏极导通，反之断开；
对于P型，当控制极给低电压，漏极源极导通，反之断开；

场效应管.png

场效应管也是一种晶体管；

2.基本逻辑单元

通过晶体管的组合，可以形成基本逻辑单元

非门 B=!A

非门.png

与非门 C=!(A&B)

与非门.png

或非门 C=!(A|B)

或非门.png

三态门

C为1时输出等于输入，C为0时输出为高阻状态(可理解为空)

三态门.png

与门A&B、或门A|B

它们不是最简单的逻辑单元，而是组合出来的

与门 或门.png

异或门

同样是组合出来的

异或门.png

3.基本逻辑电路

通过基本逻辑单元的组合，可以形成基本逻辑电路；

加法(减法)器

全加器：xyz表示三个二进制数，cs表示二位二进制结果

全加器.png

四个全加器组合，形成4比特的加法电路

加法电路.png

有了加法就有了减法，因为减法等于加上一个负数、 负数可表示为一个二进制的补码

译码器

地址译码器，当A0~4给特定值时(地址)输出为1，否则为0；
输出接三态门后，可实现类似通过内存地址取值的操作；

地址译码器.png

二四译码器，输入AB的不同组合，输出端依次只有一个为0(实现了多路选择)

二四译码器.png

D锁存器、D触发器

之前的逻辑电路输出值总是取决于当前的输入值，我们称之为组合逻辑电路；
如果输出值不是只取决于当前输入值，还取决于上一个状态的输出值，我们则称之为时序逻辑电路；
D锁存器：C为0时Q和Q反的值不发生变化，C为1时Q等于D、Q反等于D相反值；(保存了状态)

D锁存器.png

D触发器：在D锁存器基础上加入了根据CLK信号边缘触发；

D触发器.png

D触发器时序图.png

移位寄存器：将D触发器串行组合后，可以形成移位寄存器，依靠时钟脉冲将信号不断右移；(实现乘除法)

移位寄存器.png

4.概念CPU

通过基本逻辑电路，我们实现了加减、与或、左右移(乘除)、多路选择；
利用这些基本逻辑电路，可以组合成一个概念CPU如下图：

概念CPU.png

A、B为两个四位二进制输入信号，同时接到四个运算电路上；
利用加法、与或、左移、右移电路，可以对AB进行加减乘除与或运算；(S0、S1可以调整运算电路的运算规则)
运算结果给到多路开关，通过S2、S3的取值来选择输出哪种计算结果；
该电路实现了通过给定的S0~3，可以知道取哪个计算电路的哪种计算方式来对A、B进行计算；
把S0~3的16种排列组合，理解为概念CPU的16条指令，A、B理解为两个四比特的运算数，那么这就是一个四比特概念CPU；
程序的执行，就是交替给CPU指令和运算数让其运算；

概念CPU指令集.png