Release Note:
2017/6/19 12:00 添加邏輯電路子項(xiàng)
2017/6/16 10:00 添加二極管、三極管子項(xiàng)

目錄

一直想寫點(diǎn)內(nèi)容，希望囊括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從底層硬件到操作系統(tǒng)，乃至網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)，但苦于才疏學(xué)淺，無力提筆。因此嘗試著先根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)慢慢搭建一個(gè)框架，完成自我知識(shí)圖譜。這個(gè)系列所有文章的主題都圍繞計(jì)算機(jī)內(nèi)部運(yùn)作原理，我沒有各大家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，只能是從現(xiàn)有知識(shí)庫(kù)中不斷學(xué)習(xí)、總結(jié)、思考。紙上得來終覺淺，望共同進(jìn)步。

廢話講完，提出第一個(gè)概念。未必精確，但是文章的前提。

1.發(fā)明

相信本文的讀者都應(yīng)該知道發(fā)明和發(fā)現(xiàn)的區(qū)別。

發(fā)明是一種獨(dú)特的、創(chuàng)新的有形或無形物，或是指其開發(fā)的過程?？梢允菍?duì)機(jī)械、裝置、產(chǎn)品、概念、發(fā)明的創(chuàng)新或改進(jìn)。這里最重要的一個(gè)關(guān)鍵詞是創(chuàng)新。

創(chuàng)新是指以現(xiàn)有的思維模式提出有別于常規(guī)或常人思路的見解為導(dǎo)向，利用現(xiàn)有的知識(shí)和物質(zhì)，在特定的環(huán)境中，奔著理想化需要或稱為滿足社會(huì)需求，去改進(jìn)或創(chuàng)造出新的事物、方法、元素、路徑、環(huán)境，并獲得一定有益效果的行為。

白紙黑字，清清楚楚，發(fā)明的一種是創(chuàng)新，創(chuàng)新將利用現(xiàn)有知識(shí)和物質(zhì)。這就是為什么我要以電學(xué)知識(shí)作為系列的開篇，因?yàn)椴⒉皇窍劝l(fā)明了計(jì)算機(jī)，才覺得需要發(fā)明一種電的東西來供其內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)。恰恰相反，正是因?yàn)殡妼W(xué)知識(shí)、硬件工藝、自然科學(xué)等發(fā)展到一定階段，才有某一個(gè)人，站在大家的肩膀上，發(fā)明了計(jì)算機(jī)。

只有現(xiàn)將這個(gè)概念銘記于心，才能以正確的視角去考慮內(nèi)部實(shí)現(xiàn)技術(shù)?？傆腥藛?，為什么不以更好的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)某一概念？為什么不以更高的思想來設(shè)計(jì)某一內(nèi)容？不為什么，只是因?yàn)楫?dāng)時(shí)所有知識(shí)儲(chǔ)備、技術(shù)發(fā)展所限。

2.什么是電

2.1 物質(zhì)形態(tài)

所有肉眼可見的物質(zhì)都是由分子構(gòu)成，分子則由原子組成，原子進(jìn)一步由相互作用的原子核（質(zhì)子和中子）和電子云（電子）組成。常見的物質(zhì)狀態(tài)有如下三種：

• 固態(tài)

  
  
  固態(tài)

• 液態(tài)

  
  
  液態(tài)

• 氣態(tài)

  
  
  氣態(tài)

以水為例，溫度變化時(shí)可以再固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)相互轉(zhuǎn)換，其內(nèi)部原子數(shù)量并未改變，改變的僅僅是原子間排列方式。

2.2 原子結(jié)構(gòu)

原子結(jié)構(gòu)

電子和質(zhì)子是通過電磁力相互吸引的，對(duì)于電磁力，我們這里并不深究，只要看成是一種力即可。這種力將電子束縛在一個(gè)環(huán)繞原子核的靜電位勢(shì)阱中，要從這個(gè)勢(shì)阱中逃逸則需要外部的能量。同樣的，所謂靜電位勢(shì)阱也并不需要深入研究，除非你感興趣，這里直接看成一個(gè)軌道即可。

這里的重點(diǎn)是，逃逸需要外部的能量，而外部的能量必然是要能使分子更加活躍的能量。布朗運(yùn)動(dòng)告示我們，溫度越高時(shí)，粒子的運(yùn)動(dòng)越活越。換言之，如果能夠通過加熱方式提供額外的能量供電子逃逸，那么加熱是可能引起電子流動(dòng)的。

2.3 電流

電流是電荷的移動(dòng)，前面提到電子帶有一個(gè)單位的負(fù)電荷，也就是說電子的移動(dòng)形成了電流，電流方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反。我們現(xiàn)在都知道電流都是從正極流向負(fù)極的，也就是說電子實(shí)際上是從負(fù)極流向正極的。

不同物質(zhì)甚至同一物質(zhì)的不同形態(tài)下，原子核對(duì)電子的吸附能力是不同的，也就是說，電子在不同物體中穿梭移動(dòng)時(shí)，所遇到的阻力也是各不相同的。這就是電阻的由來。電阻可以從0到無窮大，對(duì)應(yīng)的也可以將物質(zhì)分為如下三類：

• 絕緣體
• 半導(dǎo)體（滿足特定條件下表現(xiàn)近似為導(dǎo)體，否則表現(xiàn)近似為絕緣體）
• 導(dǎo)體

如上所述，電子是從負(fù)極流向正極，而生活中正常物體是不帶電的（內(nèi)部電荷均衡，質(zhì)子和電子數(shù)相等）。假使我們將一根電阻為0（實(shí)際上沒有這種導(dǎo)線）的導(dǎo)線兩端相連，這時(shí)導(dǎo)線內(nèi)部并不會(huì)形成電流，因?yàn)闆]有電子會(huì)第一個(gè)移動(dòng)，大家都很穩(wěn)定。假如能夠剝動(dòng)第一個(gè)電子，那么這個(gè)電子會(huì)與相鄰原子中電子相撞，根據(jù)能量守恒定律，這個(gè)電荷將依次傳遞，形成電流，循環(huán)往復(fù)，永不停息。

然而事實(shí)上找不到電阻為0的導(dǎo)線，電流移動(dòng)過程中一定會(huì)被導(dǎo)線消耗一部分能量，轉(zhuǎn)換為熱能，直到耗盡。同樣的，也必須通過引入具有電勢(shì)差的電池提供額外的能量來驅(qū)使電子流動(dòng)，形成電流。

2.3.1 直流電與交流電

進(jìn)一步之前，先講一下電池的原理。電池實(shí)際上是電容，即電容器。

歷史上人們從自然現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)電，如靜電、閃電，但不可能每次使用電都需要等待閃電的來臨，因此必須先存儲(chǔ)起來。存儲(chǔ)使用到的容器就是電容器是兩金屬板之間存在絕緣介質(zhì)的一種電路元件。它利用兩個(gè)導(dǎo)體之間的電場(chǎng)來存儲(chǔ)能量，兩個(gè)導(dǎo)體所帶的電荷大小相當(dāng)，符號(hào)相反。

放電時(shí)，電容提供恒定（或逐漸衰弱）大小的電流，也稱為直流電。

一開始，直流電是能滿足實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景要求的，但到了遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，隨著導(dǎo)線距離的增長(zhǎng)，總電阻增大，能量消耗劇增，同時(shí)抵到用戶的電壓也遠(yuǎn)不如發(fā)送端電壓值。這時(shí)，交流電閃亮登場(chǎng)了。

交流電的由來需要基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：

• 導(dǎo)線通電時(shí)，會(huì)在其周圍產(chǎn)生微弱磁場(chǎng)
• 磁場(chǎng)中，使用導(dǎo)線切割磁感線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微弱電流

基于此，發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)如下，不管轉(zhuǎn)動(dòng)的是磁鐵還是導(dǎo)線，其核心目的都是切割磁感線。

大部分交流發(fā)電機(jī)都是圓周運(yùn)動(dòng)的，因?yàn)閳A周運(yùn)動(dòng)適合水力、風(fēng)力等自然力的利用，同時(shí)也能最大面積鋪設(shè)導(dǎo)線進(jìn)行切割動(dòng)作。也因?yàn)槿绱?，交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流成正弦波形狀。

2.3.2 變壓器

既然有了直流電的前車之鑒，那么交流電就應(yīng)當(dāng)盡力避免高損耗引起的電壓不足。同樣還是基于電磁感應(yīng)，發(fā)明了變壓器。

升壓后，根據(jù)歐姆定律，導(dǎo)線自身功率大幅減小，所消耗能量也隨之降低。

接入用戶前，通過變壓器降壓為電器匹配的電壓即可。

2.3.3 電感

變壓器發(fā)明過程中，出現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)只有一組線圈時(shí)，通斷電瞬間會(huì)出現(xiàn)極大電流。這種現(xiàn)象稱為自感。自感的來源實(shí)質(zhì)上是因?yàn)殡姾梢苿?dòng)速度很快，導(dǎo)致電流速度也很快，電轉(zhuǎn)磁所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也急劇變化，變化同時(shí)，會(huì)切割本身線圈，產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于所有變化都非?？?，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律計(jì)算可得，瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)將會(huì)十分巨大。

3. 其他元器件

3.1 二極管

我想一定有人對(duì)二極管內(nèi)部原理很好奇，至少我是。上學(xué)時(shí)候只知道二極管具有單向?qū)щ娦?，至于為什么這么神奇，卻無人告知，直到這幅圖擺在眼前。

真空二極管

那么有人會(huì)問，單向?qū)щ娦杂煮w現(xiàn)在何處？同樣的，前面提到過，電子是從負(fù)極流向正極，也就是此處的陰極流向陽(yáng)極。假如將連接在兩極的電勢(shì)差顛倒，陰陽(yáng)置換，那么不管你的燈絲再怎么加熱，能量再怎么巨大，電子也不可能從陽(yáng)極流向陰極。因?yàn)樗_實(shí)做不到啊。

上面的是傳統(tǒng)電路制成的二極管，隨著材料硅鍺等半導(dǎo)體材料技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，在本征半導(dǎo)體（近似純凈半導(dǎo)體，如99.999999%純度）兩端摻入其他元素，比如磷、硼等，同樣可以呈現(xiàn)出電路二極管的特性，并且相對(duì)傳統(tǒng)電路二極管，半導(dǎo)體二極管還有如下優(yōu)點(diǎn)：

• 節(jié)省了燈絲發(fā)熱所消耗的電能
• 半導(dǎo)體可以做小，因?yàn)椴恍枰o內(nèi)部元器件留下真空空間

在摻入元素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，人們還發(fā)現(xiàn)，部分元素通電后可使半導(dǎo)體發(fā)出不同顏色光線，這也就是發(fā)光二極管的由來。發(fā)光二極管可不只是用來做機(jī)箱上閃爍的信號(hào)指示燈那么簡(jiǎn)單，電視機(jī)、顯示器等顯示設(shè)備也是基于該原理才研制而成。

3.2 三極管

二極管有人發(fā)明了，卻也有人閑不住，想對(duì)傳統(tǒng)二極管電路玩點(diǎn)花樣，沒想到居然弄出了三極管。

簡(jiǎn)單的來講，就是在二極管陰極、陽(yáng)極間加了個(gè)網(wǎng)（便于電子通過），網(wǎng)上再加上一個(gè)電壓，就算是完成了三極管制作了。

那三極管用來干嘛？我相信大部分人了解的是三極管可以控制電流大小，使用領(lǐng)域最大也最開始的是放大器。放大器是個(gè)好東西，最早時(shí)候電話發(fā)明時(shí)，還沒有放大器，導(dǎo)致采集端、播放端都有損失，講的話聽不清，也就失去了電話的意義。

問題是，憑什么可以放大？憑什么說可以控制電流？

還是能量守恒定律，或者說電荷守恒定律，電流不可能憑空產(chǎn)生，能量來源其實(shí)也就是中間的網(wǎng)額外提供了。

• 當(dāng)網(wǎng)上施加負(fù)電壓時(shí)，電子不再會(huì)往網(wǎng)方向流動(dòng)，畢竟電子只能從負(fù)極網(wǎng)正極流動(dòng)，此時(shí)沒有電流形成，對(duì)應(yīng)截至區(qū)
• 當(dāng)網(wǎng)上施加正電壓時(shí)，隨著電壓值增大，電流會(huì)隨之增大而增大，直至超出了放大區(qū)，進(jìn)入飽和區(qū)

至于三極管的放大、截止、飽和區(qū)，我嘗試?yán)斫庠倜枋?，未果，因此不再詳述，有興趣的讀者可以自行了解，也歡迎了解后留言以便大家共同進(jìn)步。

4. 邏輯電路

4.1 時(shí)序邏輯電路

電路方面可分為如下兩類：

• 組合邏輯電路
  如加法器，它們的輸出完全取決于電路當(dāng)前的輸入。如下圖所示，其中沒有任何存儲(chǔ)單元，也就無法進(jìn)行所謂"狀態(tài)"的記憶。S,C信號(hào)值完全取決于A,B的瞬時(shí)值，與其他因素?zé)o關(guān)。

• 時(shí)序邏輯電路
  時(shí)序邏輯電路與組合邏輯電路最主要的區(qū)別就在于時(shí)序電路添加了狀態(tài)的概念，也就是說，它能跟蹤電路早于當(dāng)前時(shí)刻的信息。從輸出的角度來講，時(shí)序邏輯電路的輸出將根據(jù)電路輸入以及存儲(chǔ)單元中信息決定。
  

舉個(gè)例子，同樣是加法器，組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)的必須從外界寄存器中獲取兩個(gè)被加數(shù)，并將結(jié)果保存到其他寄存器中。而時(shí)序邏輯電路實(shí)現(xiàn)的加法器則可以選擇保存一個(gè)數(shù)至存儲(chǔ)單元中，如前一次執(zhí)行加運(yùn)算后的結(jié)果，這樣在連續(xù)加操作時(shí)，下一次就只需要取一個(gè)被加數(shù)即可。

4.2 時(shí)序

為什么要?jiǎng)澐謺r(shí)序？如果你了解過流水線技術(shù)，那么應(yīng)該知道任務(wù)是可以被分解為多個(gè)步驟或模塊的。無論是不同步驟間的銜接，還是多個(gè)模塊盡可能并行，都需要時(shí)序作為統(tǒng)一協(xié)調(diào)的方法。

基本的時(shí)序元器件有鎖存器和觸發(fā)器兩種。

• 鎖存器latch
  鎖存器是數(shù)字電路中異步時(shí)序邏輯電路系統(tǒng)中用來存儲(chǔ)信息的一種電子線路，每個(gè)鎖存器可單獨(dú)存儲(chǔ)1 bit的信息，通常會(huì)多個(gè)一起出現(xiàn)。典型的有RS鎖存器。
  

  
  其核心原理是通過與非門及信號(hào)反饋來實(shí)現(xiàn)鎖存。

• 觸發(fā)器Flip-flop
  觸發(fā)器有兩種穩(wěn)態(tài)，科技路二進(jìn)制數(shù)值信號(hào)“0”和“1”，用于存儲(chǔ)。觸發(fā)器結(jié)構(gòu)由SR鎖存器派生二來，可以處理輸入、輸出信號(hào)和時(shí)鐘頻率之間的相互影響。典型的有RS觸發(fā)器和D觸發(fā)器。

  • RS觸發(fā)器

    
    
    

  • D觸發(fā)器

    
    

總結(jié)

本篇主要介紹了電學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)后續(xù)章節(jié)的理解會(huì)起到理論支撐的作用。如有需要，會(huì)繼續(xù)補(bǔ)充內(nèi)容至該篇中。