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
最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 194,911评论 5 460
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 82,014评论 2 371
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 142,129评论 0 320
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 52,283评论 1 264
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 61,159评论 4 357
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 46,161评论 1 272
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 36,565评论 3 382
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 35,251评论 0 253
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 39,531评论 1 292
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 34,619评论 2 310
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 36,383评论 1 326
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 32,255评论 3 313
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 37,624评论 3 299
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 28,916评论 0 17
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 30,199评论 1 250
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 41,553评论 2 342
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 40,756评论 2 335

推荐阅读更多精彩内容