CPU的工作原理

Posted 2021-07-29 诺浅

CPU的工作原理

其实CPU主要就是做运算，那么运算的本质其实就是加减乘除。也就是说你在电脑上做得任何操作，对于计算机来说，都是加减乘除。

晶体管的组成

首先CPU有个很重要的电子元件：晶体管，晶体管由半导体组成，大概长下面这样

我们把1称为输入端，3称为输出端，2处称为栅极。这个元件的巧妙之处在于，只有在1和2都通电的情况下，3才会通电。

为什么只有1和2通电3才会通电？
首先，图中绿色部分和白色部分可以认为是绝缘体，图中标号部分才是具有导电性的金属。当只给1通电时，电路只会到达4，此时给2通电时，电流大到一定的层度会把2中的电子析出来，在白色的绝缘体的表面形成一个导电沟道，即5。这样4-6的电路就可以打通，从而使得3处也通电。这个装置仅仅通过电流的通断，就可以决定输出端的输出情况。又什么用呢？

或门电路

利用这个装置，可以制作一个或门电路。

在两个晶体管的输入端都接上电源，并且输出端接上小灯泡，然后在中间处接上开关，其中开关关为0，开为1，小灯泡的开为1，关为0。这样，任何一个开关为1的时候小灯泡也就亮，即1。

与门电路

当把上面的电路图改一下，既可以得到一个与门电路。

只有在两个开关都为1的时候，电灯泡才为1.

全加器

通过这些电路，就可以开始做运算了。比如对于加法，电路图是下面这样，其中NAND是异或门，即输入不同的输出1，输入相同的输出0.

当如何一个开关输入为1时，另一个输入为0时，只会有右边的灯泡亮，即这样

不亮的表示为0，亮的表示为1，也就是说上面只有一个输入端为1的时候，输出端恒为01，即可以得出运算。

01 + 00 = 01 = 1
00 + 01 = 01 = 1

那么如果输入端两个都是为1，即01+01，我们需要得到10这个结果，通电图如下

总结

上面这个加法器的运算，应该是最简单的运算了，他只算0+1=1,1+1=2，如果是运算结果大于2的运算，用这个就无法运算了，需要加原件。
其实CPU就是由大量这样的晶体管构成，从而进行复杂的运算。

参考：https://baike.baidu.com/item/%E5%85%A8%E5%8A%A0%E5%99%A8