「一沙一世界」之门电路是个啥？

大家好我是点灯工程师，科岩。

在文章嵌入式工程师的自我修养中，我引入过一个技术问题：

有2个设备A、B，通过网络连通可交互数据，其中A有外接按键，B有小显示屏。

2个设备实现这样的程序：A键盘上按下某个按键，B显示屏将按键值显示出来。

请问：从A按下按键那一刻起，到B显示屏看到按键值，”按键值“这个数据是怎么从A的按键传输到B的显示屏的？

我们接着回答这个问题。

上篇文章半导体与MOS管 ，讲了计算机世界的物质基础，讲了半导体的物理原理、三极管的导通原理，最后讲到利用MOS管的「通」与「断」两种状态来造一颗芯片。

那么怎么利用MOS管的「通」与「断」点亮一朵小黄灯呢？

我们先了解下人类是怎么在大脑中点灯（思维）的。

逻辑

大脑在思维过程中会运用的一种非常重要的思维形式：推理。

即，把事物划分成不同的集合，通过一定的判断，找出集合之间的关系，形成结论。

下面这个推理是不是一个真理，我们用集合间的关系式来证明它。

关注公众号「科岩成果」的人个个都是人才

花不脱关注了「科岩成果」

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所以，花不脱是人才

首先，第一句。

所有关注「科岩成果」的人组成一个集合A，全世界的人才组成一个集合B。

A与B的交集就表示成

A x B = A

上面这个式子意思是关注「科岩成果」的人与全世界人才的交集，就是关注「科岩成果」的人。

接着，第二句。

花不脱也是一个集合H，这个集合里面只有花不脱一个成员。

H x A = H

这个式子表示，花不脱与关注「科岩成果」的人的交集，就是花不脱。

用代入法，把第一个式子代入到第二个中：

H x A = H x（A x B）

利用交换律把先后顺序修改一下：

H x（A x B）

=（H x A）x B

= H x B

= H

这个式子表示，花不脱与全世界人才的交集，就是花不脱，即花不脱也属于全世界的人才。

推理过程中要遵循一定的思维规则，思维规则指的就是逻辑，很明显，我们刚刚的证明是合乎逻辑的，「花不脱是人才」这个推理是真理。

一个推理是真理，在布尔代数中用1表示，不是真理就用0表示，即，1和0不代表数字大小，而是代表「真」「假」。

人类世界有人类世界的逻辑，计算机世界中也有计算机的逻辑。

门电路

计算机中的逻辑使用门电路实现的。

先回味一下逻辑「与或非」是什么意思：

• 与：条件全为真，则结论为真；只要一个条件为假，则结论为假
• 或：只要有一个条件为真，则结论就为真；条件全为假，则结论为假
• 非：条件为真，结论为假；条件为假，结论为真

如果把小灯泡的亮看做「真」，灭看做「假」，则可以用小灯泡电路说明这三种逻辑关系。

「与」逻辑，其实就是个串联电路，两个开关同时闭合时，灯泡才亮，只一个闭合，灯泡是不会亮的：

「或」逻辑是并联电路，只要一个开关闭合，灯泡就可以点亮：

「非」逻辑取反，开关闭合时灯泡不亮，开启时才亮：

上面这些电路都需要物理开关来控制，小孩子都会，我们来玩稍微高级一点的。

还记得上篇文章讲到的二极管的单向导电性么，电源正向接可以当做通路，否则当做断路。

我们就用二极管的这个性质来实现与逻辑。

按上面这个电路接好后，如果A点接3.3V，B点也接3.3V，则D₁与D₂两边均为高电平，均可当做断路状态。这时Y点是高电平，小灯泡被点亮。

A或B只要有一个点接低电平，则对应的二极管就会处于导通状态，Y点是低电平，小灯泡熄灭。

这就是一个二极管的逻辑与电路，我们给它起个学名，叫**「与门」**。

一般我们在电路图中不用上面的结构表示与门，因为比较复杂，而是会用下面这样简化的符号，可以把这个简化符号看做是上面那个电路图的封装。

如果把3.3V看做「真」，用逻辑1表示，把0V看做「假」用逻辑0表示，则A、B与Y之间的关系可以用如下表格表示，这个表格叫做**「真值表」**。

下面我们再搭一个非门出来。

还记得上篇文章「半导体与MOS管」的MOS管么。

• P-MOS，D接低电平，S接高电平；G极为低电平时DS导通，高电平断开，可用于控制与电源之间的通断
• N-MOS，D接高电平，S接低电平；G极为高电平时DS导通，低电平断开，可用于控制与地之间的通断

非门我们就再高级一点，用MOS管实现。

如上图，把一个P-MOS管的D极和一个N-MOS管D极连在一起，G极也相互连接，就构成了一个非门电路。

• 当A点为低电平时，P型管导通，N型管截止，输出端Y是高电平；
• 当A点为高电平时，N型管导通，P型管截止，输出端Y是低电平。

A与Y之间的关系刚好相反，如下表：

将两种类型的MOS管结合在一起形成的互补门电路称为CMOS门电路（互补式金属氧化物半导体，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）。

用三极管也能组成门电路，称为TTL门电路（晶体管－晶体管逻辑，Transistor-Transistor Logic）。

与TTL门电路相比，CMOS门电路具有功耗低、尺寸小、成本低的优点。

目前TTL门电路主要用于教学或制作比较简单的数字电路，而我们使用的电脑处理器、手机处理器，还有各式各样的单片机都是以CMOS门电路为基础制制造的。

常用的门电路还有很多，就不细说了，贴张基本门电路图：

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end

我们现在可以用门电路进行简单的逻辑处理了。

我隐约觉得，在计算机的世界中，门电路，就是物质与逻辑的边界。

而有了逻辑，基本上就可以做任何事了，加减乘除、存储执行，该怎么做呢，下一篇告诉你，与或非门电路可以用在哪里。

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我是科岩，知其然，知其所以然，我们下期见喽。