【计算机基础】晶体管门电路原理与冯诺伊曼结构

晶体管门电路原理与冯诺伊曼结构

0. 学习目标

从纽扣大小的传感器，到手掌大小的智能手机，再到超大的超级计算机，多态的计算机系统在生活中无处不在。但无论是如何复杂的计算机系统，通过层层抽象，都可以得到一个相对固定的基本组成描述。

现在我们常见及使用的绝大部分计算机都遵循冯诺依曼结构。本文的硬件结构介绍是基于冯诺伊曼结构的。

学习目标

了解晶体管门电路。

学习冯诺伊曼结构的特点：

• 计算机由五大部件组成: 运算器、控制器、存储器、输入、输出
• 指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访
• 指令和数据用二进制表示
• 指令由操作码和地址码组成
• 存储程序
• 以运算器为中心

参考教程：

• B站优秀翻译&搬运——计算机速成课

• Mooc哈尔滨工业大学计算机组成原理

• 《软件设计师教程》——胡圣明，诸华 主编.

1. 晶体管门电路

计算机的本质是电路。电子元件组成门电路，门电路实现数据的计算与存储，一层一层不断组合、迭代，组成了如今复杂且功能强大的计算机。

从继电器到真空管，再到如今的晶体管，门电路的实现体积越来越小，可靠度越来越高。这小节我们介绍一下晶体管实现门电路的基本原理。

晶体管的电路表示
晶体管的物理学原理比较难，涉及量子力学。但晶体管的使用效果是显而易见的。

如上图所示，一个晶体管有C和E两个电极，两个电极通过中间的半导体与控制线G相连。
当控制线G带电时，电流就可以从C流向E。如果我们将控制线G当作是输入，E当作是输出，那么此时这个晶体管就已经实现了一个最基本的门电路：输入为真输出为真，输入为假输出为假。

简单门电路
我们将电极C当作是输出，将控制线G当作是输入，那么我们可以获得一个实现非的门电路：

(此图截取自《计算机科学速成课》，链接见学习目标)

从上图我们得知，当输入为假，即控制线G不带电时，只需要将这个非电路接入其他电路使得C电极带电，那么电流就会从C电极流出，即输出就为真；当控制线G带电时，电流可由电极C流向电极E，而电极E接地，电流就不会从C电极的输出流出了，即输入为真，输出为假。此时，这个晶体管就实现了一个非门电路！

经过设计与研究，晶体管已经实现了其他门电路，与门、亦或门、同或门等。再通过层层迭代与抽象，这些门电路与其他电子元件就可以实现复杂的计算以及存储了。

我们的CPU、存储器等现代计算机核心部件，里面就包含了大量晶体管。一个芯片由小到几十,大到超百亿晶体管构成。像华为麒麟990芯片,就是由103亿颗晶体管组成的。

2. 基本组成

计算机由五大部件组成: 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备

从图中我们得知，由于现代计算机集成度越来越高，控制器与运算器通常都会集成在一起，这个集成部件就是我们耳熟能详的中央处理单元CPU

计算机由软件和硬件组成，相辅相成。

• 中央处理单元CPU ：CPU主要由控制器、运算器组成
• 存储器：存储器分为内部存储器与外部存储器
  • 内部存储器：即内存，一般是RAM随机存储器，主存。速度高，容量相对硬盘要小
  • 外部存储器：例如，我们的软盘、硬盘、光盘等
• 输入输出设备：即外设，例如，我们的键盘是输入设备，我们的显示屏是输出设备
• 各部件通过总线相连

计算机软件主要分为系统软件与应用软件。

• 系统软件：管理计算机软硬件资源，为用户提供基础交互。如操作系统、数据库管理系统等。
• 应用软件：根据需求或市场定制化的软件，例如游戏、社交软件等。

3. 总结

晶体管门电路——可实现计算与存储
晶体管门电路与其他电子元件，遵循冯诺伊曼结构——硬件基本组成原理