CPU的工作原理，最简单的元器件构成最复杂的运算

[导读]我们都知道，人类进行运算的本质是查表，并且我们存储的表是有限的。那么，计算机是怎样进行四则运算的呢？也是查表吗？答案肯定不是！今天，我们就来说说CPU是如何计算11的。现代计算机又叫电子计算机，肯定是由电路和电子元件来实现的。我们都知道，一台计算机的核心就是处理器（CPU），它的...

我们都知道，人类进行运算的本质是查表，并且我们存储的表是有限的。那么，计算机是怎样进行四则运算的呢？也是查表吗？答案肯定不是！今天，我们就来说说CPU是如何计算1 1的。

现代计算机又叫电子计算机，肯定是由电路和电子元件来实现的。我们都知道，一台计算机的核心就是处理器（CPU），它的职责就是运算。CPU是一块超大规模的集成电路，我们要想弄清楚计算机的运算机制，就要了解集成电路是如何具有运算能力的，而集成电路是由大量晶体管等电子元件封装而成的。

所以，探究计算机的计算能力，先要从晶体管的功能入手。

晶体管如何表示0和1

从第一台计算机到EDVAC，这些计算机使用的都是电子管和二极管等元件，利用这些元件的开关特性实现二进制的计算。然而电子管元件有许多明显的缺点。例如，在运行时产生的热量太多，可靠性较差，运算速度不快，价格昂贵，体积庞大，这些都使计算机发展受到限制。于是，晶体管开始被用来作计算机的元件。

晶体管利用电讯号来控制自身的开合，而且开关速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。使用了晶体管以后，电子线路的结构大大改观，进入了晶体管为代表的第二代电子计算机时代。

1947年贝尔实验室的肖克利等人发明了晶体管，又叫做三极管。下图是晶体管的电路符号。需要说明的是，晶体管有很多种类型，每种类型又分为N型和P型，下面图中的电路符号就是一个N型晶体管。

晶体管电路有导通和截止两种状态，这两种状态就可以作为“二进制”的基础。从模电角度来说晶体管还有放大状态，但是我们此处考虑的是晶体管应用于数字电路，只要求它作为开关电路，即能够导通和截止就可以了。

如上图所示，当b处电压>e处电压时，晶体管中c极和e极截止；当b处电压

换句话说，这个三极管的b极电压相对e极为低电平时三极管就会导通，相对e极为高电平时三极管就会截止。从这里可以看出，晶体管的导通与截止这两种状态对外可以使用b极电压的相对高低来表示，进而说明了我们可以使用高电平或者低电平状态来表示二进制。也就是说b极是一个输入量（自变量），可以作为变量存储两个数值：高电平或低电平；相应的输出值（因变量）就是电路实际的变化：导通或截止。

就上面这个N型晶体管而言，高电平截止，低电平导通。假如此时，我们把高电平作为“1”，低电平作为“0”。那么b极输入1，就会导致电路截止，如果这个电路是控制计算机开关机的，那么就会把计算机关闭。这就是机器语言的原理。

实际用于计算机和移动设备上的晶体管大多是MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管），它也分为N型和P型，NMOS就是指N型MOSFET，PMOS指的是P型MOSFET。注意，MOS中的栅极Gate可以类比为晶体管中的b极，由它的电压来控制整个MOS管的导通和截止状态。

NMOS电路符号如下图：

PMOS电路符号如下图：

NMOS在栅极高电平的情况下导通，低电平的情况下截止。所以NMOS的高电平表示“1”，低电平表示“0”；PMOS相反，即低电平为“1”，高电平为“0”。到了这个时候，你应该明白“1”和“0”只是两个电信号，具体来说是两个电压值，这两个电压可以控制电路的通断。

门电路

一个MOS只有一个栅极，即只有一个输入；而输出只是简单的电路导通、截止功能，不能输出高低电压信号，即无法表示“1”或“0”，自然无法完成计算任务。此时就要引入门电路了（提示：电压、电平、电信号在本文中是一回事）。

门电路是数字电路中最基本的逻辑单元。它可以使输出信号与输入信号之间产生一定的逻辑关系。门电路是由若干二极管、晶体管和其它电子元件组成的，用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。这里只介绍最基础的门电路：与门、或门、非门、异或门。

1、与门

与门电路是指只有在一件事情的所有条件都具备时，事情才会发生。

下面是由MOS管组成的电路图。A和B作为输入，Q作为输出。

例如A输入低电平、B输出高电平，那么Q就会输出低电平；转换为二进制就是A输入0、B输出1，那么Q就会输出0，对应的C语言运算表达式为0