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计算机结构-逻辑门、存储器、内存、加法器、锁存器、程序计数器

ops 2025/7/27 8:18:24

逻辑门

逻辑门简单地理解即通过特定的条件实现与、或、非、异或等相关逻辑

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二极管

这些最基础的逻辑门都是通过电路元器件进行搭建的，即半导体材料搭建的二极管
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二极管有个特点，一定条件下才可以导通，即得接对正负极，具体的原理可以参考模拟电子技术相关内容

晶体管

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逻辑门搭建

在了解了以上基础原理之后，搭建逻辑门就很容易了
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与门的搭建，即串联两个晶体管，控制端来控制是否导通，若两个晶体管的同时导通则整体电路导通，灯才会亮

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非门的搭建，并联晶体管和灯泡，有两种情况
1，晶体管的控制端输入0晶体管这条电路不导通，则灯泡这边的电路导通，即输出1
2，晶体管的控制端输入1晶体管这条电路导通，则灯泡这边的电路被短路，即输出0

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或门的搭建，通过灯泡串联两个并联的晶体管实现，有如下几类情况

1，左边晶体管导通（输入1），右边晶体管不导通（输入0），则整体电路导通，灯泡亮（输出1）
2，左边晶体管不导通（输入0），右边晶体管导通（输入1），则整体电路导通，灯泡亮（输出1）
3，左边晶体管不导通（输入0），右边晶体管不导通（输入0），则整体电路不导通被断路，灯泡不亮（输出0）
4，左边晶体管导通（输入1），右边晶体管导通（输入1），则整体电路导通，灯泡亮（输出1）

加法器

首先理解下加法原理，人类理解的加法采用的为十进制，比如1+1=2和6+7=13
在6+7这里超过10需进位，因此个位=3，十位=1 因此6+7=13

但是计算机只能给理解二进制，因此1+1，等于需进位因此 1+1=10
同理6+7 转换成二进制加法=> 110 + 111 = 1101
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半加器

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为啥称之为半加器呢，当计算1+1=10的时候，半加器可以实现，但计算110+111的时候，输出位数有4位，但半加器总共只有两位输出，因此无法实现多位数字的加法，因此称之为半加器

扩展加法器

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将多个半加器串联，即C作为进位输出作为下一位的输入，S作为本位的输出，则实现了多位数字的加法器

全加器

全加器逻辑门实现
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SR锁存器

为啥还需要锁存器
由于组合逻辑门都只有多个输入，给到多个输出，但输出永远由当前输入决定，且不会改变，一旦当前输入改变，则当前输出会改变，那么它不具有记忆功能，存储不了之前的输入

理解记忆

有记忆功能的逻辑门
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比如在t=1的时刻，给定输入1，输出=1，之后不管任何输入，输出恒定不变，则说明它具有记忆功能

通过是S设置1，Q会输入1，因此把它称之为set端，通过Q端设置1， Q会置为0，因此称之为reset，因此把这个组合逻辑门称之为SR锁存器

D锁存器

SR锁存器的局限

数据设置复杂，可以记忆1，但记忆不了0
没有总开关设置，无法在想要存储的时候存储，关闭存储的时候不存储
因此需加上控制位来做总开关，以及加上数据输入位，输入1，存储1，输入0，存储0
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D锁存器在SR锁存器的基础上做了如下改动

1，控制位：加上E使能输入和与门
2，数据输入D串联非门

电容器

电容器可以简单地理解为可以充电和放电的元器件
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通常采用电容串联电路实现RC电路从而准确控制电容充放电的时间

D触发器

D锁存器的缺点
由于在E使能端的控制下，由于当前单位时间内输入时间内很长，很容易收到外界的影响，当某个输入任意一个改变了，输入会变得不稳定，因戏需要在一瞬间存储好时间，不给它误差的机会
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瞬间存储机制

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当E使能端=1的时候，Q会随着D的输入而同步输出
但是现在需要在E=1的瞬间，保持D的输入，其它的时间不变，因此理想的Q输出为最后一条Q，而不是倒数第二条Q

门电路实现
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当E=1的时候通过非门和与门，与门上边输入=1，下边输入由于非门的时间延迟仍然=1，因此E1=1
当时间延迟过了，与门的第二个输入变成了0，因此E1=0，因此实现了瞬间存储功能
但这个非门的延迟时间不可控

基于电容实现
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利用电容的特点完成瞬间存储

具有记忆的加法器

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原理为将具有记忆的存储器的输出端再接回道加法器的输入端

时钟原理

时钟主要用来计算机内部的触发协作，比如计算机在哪个时间节点做哪些操作
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非门实现的时钟，当一开始输入=1，输出=0，输出0又返回到输入通过非门，此时输出就变成了1，循环往复输出的规律=> 0、1、0
但0和1持续的时间不可控

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因此还有更好的实现，即通过555触发器来实现
其中内部用到了很重要的电容RC电路定时充放电，同时利用了比较器，当正极电压大于负极电压才会导通，具体的原理可以参考555的原理

总线原理

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简单地来将，总线即为了统一管理计算机内部所有的元器件，各个存储器、寄存器、内存等通过总线来传递数据，部分元器件输出数据到总线，部分元器件接受总线数据的输入

寄存器

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D触发器存在的问题一：众多触发器，谁来读取此时的总线数据呢，之前的D触发器无法实现控制制定触发器谁来接受总线数据
解决问题一：因此在原有的触发器加上load加载端，当load=1，触发器接受总线数据，load=0，触发器不接受总线的数据

D触发器存在的问题二：众多触发器都输出了数据，此时输出哪个触发器的数据到总线呢
解决问题二：在触发器加上enable输出使能端，当enable=1的时候触发器才输出数据到总线
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改良的触发器称之为寄存器
但此时的寄存器还存在如下问题：

无法观察到每个寄存器的输入输出到底是多少
有效位数太少了，输入输出只有4位

解决怎样观察输入输出：加上缓冲器，在缓冲期和寄存器之间加上灯泡，用灯泡观察寄存器的存储数据

解决有效位数太少：串联多位寄存器解决
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ALU

ALU即算数逻辑单元，之前已经实现了加法，ALU包括加减乘除，加法已实现，乘法和加法的本质原理差不多，减法和除法本质原理差不多，则当前只需解决怎样实现减法功能

例如，6-2 可以换成 6+ （-2）此时它仍然为加法，重点在于怎样把2变成-2
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规定最高位等于负数，比如4位二进制，最高表达-8，此时的二进制则可以表达负数
举例：6-2
6=0110 -2=1110
6-2= 0100 此时算出来=4
规律：负数二进制=正数取反+1
取反：采用异或门+sub控制端实现

+1操作：sub的输出直接接到Cl端，sub=1 即计算减法
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