芯片的底层原理

分手后的思念是犯贱 2023-10-03 18:10 27阅读 0赞

芯片的底层就是逻辑门电路组成的，在逻辑门的基础上不断抽象，从而组成了我们使用的计算机。所以，首先我们先了解一下门电路的底层实现。

### 1. 门电路 ###

1.1 与门

与门是两个输入，一个输出，当两个输入都是1的时候，输出才会是1，其他情况输出为0。下面通过继电器对与门的底层原理进行解释：

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中学物理我们学过电磁感应，就是在线圈通电的情况下，会产生磁效应。上图中我们可以看到如果两个线圈通电的话，会分别把它们上面的开关吸下来，从而使得开关闭合，那么最终就会导致灯泡通电。

可以看到，连接灯泡的是有一个电源，这个电路上有两个开关，这两个开关是由另外两个电源控制的，所以整个电路中使用了**三个电源**，

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简化之后的电路，是上面这个样子。可以看到，把灯泡本应该有的电源给忽略了，只剩了两个开关电源。

1.2 或门

或门也是两个输入，一个输出，两个输入中只有有至少一个为1，那么输出就是1.

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或门是由四个电源组成的，两个电源是直连灯泡的，另外两个电源是连着继电器，每一个继电器控制一个灯泡电源的开关

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1.3 非门

非门代表的含义是输出和输入相反，输入如果是1，那么输出就是0，如果输入是0，那么输出就是1。

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非门就是继电器电源闭合，把灯泡的电源拉下来，进而灯泡电源断开；若继电器电源断开，则灯泡电源弹上去进而闭合。

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1.4 异或门

上面的与或非门是最最基础的门电路，我们可以通过与或非门进行组合，产生新的门电路，比如现在讲的异或门。异或门的含义是两个输入不同的时候，输出为1，两个输入相同的时候输出为0.

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### 2.加法器 ###

学过计算机原理的都知道，早期的计算机的主要计算单元就是加法器，也就是说减法、乘法、除法都可以用加法器完成，那么怎么通过我们上面说的门电路组装出一个加法器呢？

我们知道，计算机的底层是通过二进制完成逻辑计算的，所以我们需要完成的加法器也是要实现二进制的加法。二进制的加法有以下几个场景：0+0=0、0+1=1、1+1=10。能看出什么迹象么？两个值相同时，输出为0，两个值不同时输出为1。是不是想到什么了？对，就是我们上面讲到的异或门的特性。说到加法，就会有进位，对于二进制来说，只有两个输入都是1的情况下，才会有进位，而这个特性刚好符合我们上面讲的与门。所以，二进制的和可以由异或门实现，而进位可以由与门实现，两者结合起来就可以完成两个二进制的加法运算。（该电路可以称为半加器）

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下面是通过把半加器在继电器层级的电路画出来了，大家可以看下最基本的电路是怎么实现加法器的，这可能也是很多同学在初学计算机的时候都疑惑的地方：电路是怎么实现当前计算机这么复杂的计算的。这就是最基本的实现原理。 ![watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rOV5ouJ5byf5byf_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 8][]

半加器是实现两个一位二进制数加法运算的器件，上图图就可以简化为一个半加器，如果考虑进位，就可以通过两个半加器结合实现，如下图：

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### 3.触发器 ###

3.1 振荡器

继电器可以实现门电路，下面我们再看一个通过继电器实现的比较骚的电路。

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我们看到上面的这个电路，接通的电路使电磁铁把金属簧片拉下来，当金属簧片改变位置后，电路不再完整，电磁铁失去了磁性，金属簧片又弹回原来的位置。

电路的输出就是提供电压和不提供电压之间变换，这个电路被称为振荡器。也被称为**时钟**

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3.2 R-S触发器

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此电路有以下特性：

闭合上面的开关使灯泡点亮，当再断开时，灯泡仍然亮着。

闭合下面的开关使灯泡熄灭，当再断开时，灯泡仍然不亮。

电路的奇特之处是：有时当两个开关都断开时，灯泡亮着；而有时，当两个开关都断开时，灯泡却不亮。当两个开关都断开时，电路有两个稳定状态，这样的一个电路称为触发器。

这个电路可以**记忆**最近一次是哪个开关先闭合的。这种触发器被称为R-S（Reset-Set，复位/置位）触发器。

3.3 D型锁存器

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这个电路被称为电平触发的D型触发器，D表示数据端输入。所谓电平触发 是指当保持位输入为某一特定电平（本例中为“ 1”）时，触发器才对数据端的输入值进行保存。它也可以称为1位存储器。

### 4.存储器 ###

4.1 存储器原理

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这是同一个触发器，但是现在Q输出端命名为输数输出，时钟输入端命名为写入。该电路也叫锁存器。

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8个这样的锁存器连在一起，就是8为输入输出。

如果8个中选择一个输出，怎么办？看下图，这是8-1选择器。

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下面这个是3-8译码器

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8个锁存器的完整电路如下

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简化图如下：

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4.2 大内存实现原理

我们上一节看到，8位容量的锁存器就有很多条线。但是在真实的计算机中，我们的内存都是以G为单位的，如果按照上一节讲的方法，扩展出来真实可用的物理内存，那么线路复杂度是超过人的想象的。

为了解决大内存的布线问题，工程师们想到了矩阵的方式，也就是以矩阵的形式摆放一个一个锁存器，如下图所示：

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也就是以地址线决定是否可写入读出，上图中，横着的地址线和纵向的地址线都是1的情况下，才能选中这个锁存器，这个时候再看write和read信号，来决定是否可写入或读出。

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把内存布局抽象一层，我们可以由如下图示进行表示

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以上的描述，一个地址只能写入或读出1位数据，如果想要同时写入或读出一个byte的数据，也就是8位，怎么办呢？很简单，把地址线同时连8个像上面的内存就行了，如下图：

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4.3 真实物理内存条

该内存条有1M的容量，通过对内存条逐步放大，我们看下其工艺实现。

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其中一个小黑条放大之后如下：

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其中一个小四方块放大之后如下：

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其中每个四方块放大之后如下：

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参考：

1. 《编码》

2. [【计算机科学速成课】\[40集全/精校\] - Crash Course Computer Science\_哔哩哔哩\_bilibili][40_ - Crash Course Computer Science_bilibili]

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[40_ - Crash Course Computer Science_bilibili]: https://www.bilibili.com/video/BV1EW411u7th?p=6