聊聊開關和CPU之間故事
作者：小牛呼嚕嚕 | https://xiaoniuhululu.github.io
大家好，我是呼嚕嚕，在先前的一篇文章計算機中數值和字串怎麼用二進位制表示？中，我們知道了計算機為什麼會採用 0 和 1 組成的二進位制，來表示所有的資訊，比如機器指令、數位、字串、聲音、圖片、視訊等等。
我們本篇文章來看看計算機在硬體層面究竟是怎麼表示二進位制的，CPU究竟是怎麼實現的？通過本文的學習，我們也可以反過來明白為什麼計算機會採用二進位制了。
開關
我們在生活中，處處都是開關，比如控制燈的開關
我們可以發現一個很簡單的現象：
- 串聯的開關，只有2個開關都閉合，燈泡才亮。這也就是布林代數中"邏輯運算與"
- 並聯的開關，只要有1個開關閉合，燈泡就會亮。這也就是布林代數中"邏輯運算或"
我們以最簡單的2個數，0和1來舉個例子，寫出其布林代數的真值表：
電報和繼電器
在人類資訊傳遞發展的歷史上，長途資訊傳遞一直是非常困難的時，當時常見的方式有，比如人騎馬送信，訓練信鴿、點燃烽火，但資訊傳遞的效率都非常低效。直到電報的出現，電報思想的正式成形是在19世紀早期，它的讓人類傳遞資訊的效率得到極大的提升。
電報利用電的特性來傳遞資訊，早期設計複雜且不穩定，傳遞的資訊複雜度又比較低，1837年美國人摩爾斯通過電磁感應改良了發報機，並行明瞭摩爾斯電碼。他將電報劃分為2種訊號，短促的"點訊號"和長一點的"劃訊號", 將把「點」當成「1」，把「劃」當成「0」(這不就是二進位制嘛),並編寫了個「字典」將字母及數位編碼一一對應，這樣就能傳遞複雜的資訊，在未來產生了巨大影響力，意味著現代通訊的開始。
由於早期的電報傳輸，需要鋪設電線，但是隨著電線越長，其電阻就越大，電訊號常常傳輸過程中被消耗點，這樣接受方就無法接收到資訊了。幸運的是，工程師發明了繼電器，其原理就是接收微弱的訊號，然後不斷地通過新的電源重新放大已經開始衰減的原有訊號，最後把它增強後傳送出去。
當開關是開啟的話，燈泡是不亮的；但當開關是閉合的話， 電流流過圍繞在鐵棒上的線圈，會發生電磁效應，鐵棒就具有了磁性，會將彈簧片吸下來，右邊電路就通了，燈泡就會亮了。這樣通過繼電器，一段段放大訊號，電報就能長距離傳輸資訊了。
雖然繼電器有放大訊號的作用，但和開關一樣繼電器也可以串聯或並聯以執行邏輯中的簡單任務，繼電器比起普通的開關的優勢在於繼電器無需直接被輸入者控制，可以被其他繼電器控制，這樣就可以組合完成更復雜的操作。比如我們可以通過繼電器實現: 當我們閉合開關時，燈泡關閉;當我們開啟開關時，燈泡去點亮這種燈泡的狀態和開關的閉合狀態相反的操作,普通開關是無法實現這種操作的。這些電路物理的表象下隱藏的邏輯關係，一直沒有被人發現。
直到1938年，克勞德·夏農在麻省理工學院所寫的碩士論文《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》中闡述了繼電器和開關電路中的符號分析之間的關係，他將開關、繼電器、二進位制、布林代數聯絡起來。也就是發現人類可以通過開關和繼電器這些普通的電路，直接就能實現布林代數各種邏輯運算操作。這些繼電器的組合被稱為邏輯閘，他們構造基本的邏輯電路，也叫閘電路。
閘電路
上面是3種最最基本的門：
- 與門，兩個開關只有同時開啟，電流才會通過，燈泡才會亮
- 非門，當開關閉合時,電流會通過，燈泡會亮;開關開啟，電流不能通過反而，燈泡熄滅
- 或門，兩個開關中只要有一個開啟電流就能通過，燈就會點亮
這些門其實就是一個個"開關"的抽象, 以後我們需要的各種複雜的邏輯都可以通過這3個門來實現，真的是非常奇妙
我們再來看一個常見的門：互斥或門XOR
我們先寫出其真值表（真值表是在邏輯中使用的一類數學表，用來確定一個表示式是否為真或有效）：
| A | B | X(輸出) |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
其表示式也就是：
通過表示式我們就能知道，把非A與B的值 和非B與A的值 通過或門加起來就能得到互斥或門了
材料學的發展
上世紀材料學的發展也大力推動了計算機的蓬勃發展，計算機的硬體出現了3次大的更新換代
繼電器與哈佛Mark1號
在1944年，為了給美國曼哈頓計劃跑模擬，IBM建造出來首臺自動按序控制計算機哈弗Mark1號，有76萬五千個元件，300萬個連線點和500英里長的導線，重達4500公斤，佔地面積有房間那麼大。其大腦是由繼電器組成的，其一秒能做3次加或減，乘法花費6秒，除法花費15秒
由於繼電器的金屬臂有「質量」，無法快速開關，1940年一個好的繼電器一秒鐘可以翻轉50次，但是任何會動的機械都會隨著時間出現物理磨損，部件會損壞，隨著繼電器數量增加，故障概率也會增加。真的是又慢又容易壞的大傢伙，但瑕不掩瑜，其依舊具有跨時代的意義。
真空管與巨人一號
在1904年，英國物流學家弗萊明就已經開發了一種新的電子元件，叫做真空管，也就是把兩個電極裝在一個氣密的玻璃燈泡裡，但弗萊明的這個電子部件，電流只能單向流動，俗稱稱為 "二極體"。要想製作計算機，需要能夠控制電子的流動的東西。
在 1906 年，美國發明家"李·德富雷斯特"在"弗萊明"設計的兩個電極之間，加入了第三個"控制"電極(一 種柵欄式的金屬網，形成電子管的第三個極)，向"控制"電極施加正電荷，它會允許電子流動；但如果施加負電荷，它會阻止電子流動。被命名為真空三極體，這樣就能形成一個"開關"，可以「斷開或閉合電路」。
由於真空管內沒有會動的元件，想較於機械裝置，磨損更少，又沒有金屬臂的限制，每秒可以開閉數千次，繼電器一秒鐘只能翻轉50次左右，效率大大的提升。
第一個大規模使用真空管的計算機是"巨人1號"，標誌著計算機從機電轉向電子，電子計算機的大門自此開啟。由工程師Tommy Flowers設計，完工於1943年12月，用於二戰時破解德國軍事通訊密碼。
電晶體與IBM608
雖然真空管做計算機的大腦，解決了繼電器許多缺陷，但是其還是容易損壞，就像燈泡一樣燒壞。到1950年代，真空管計算機都達到了極限。
1947年，貝爾實驗室發明了電晶體，其成為了新的"開關",也標誌著一個全新的計算機時代到來。電晶體不僅體積小，響應速度快（每秒切換開關能達到上百萬次)，而且使用壽命也非常悠遠，準確 性高，穩定性好，不易損壞。關鍵它可以做得非常小，一塊積體電路即可容納十幾億到幾十億 個電晶體。
電晶體泛指一切以半導體材料為基礎的單一元件,半導體顧名思義，可導電也可不導電，是常溫下導電效能介於導體與絕緣體之間的材料，一般有矽、鍺、砷化鎵等
IBM608第一個完全用電晶體，消費者也可以買的起計算機。該計算機有3000個電晶體，每秒執行4500次加法，80次左右的乘除法。
計算機2大特性：計算能力和記憶能力
通過本文的閱讀，我們知道了開關是一個生活中很普通的東西，但夏農將開關、布林代數聯絡的一起後，產生了化學反應。可以用一個個開關組合起來，成為閘電路，從而能夠造成CPU。
隨著材料學等發展，開關也從繼電器到真空管，再到電晶體，相應速度，提交，使用壽命，成本都得到了明顯的改善。他們製造出來的計算機也慢慢的變成了我們現在熟悉的計算機。
計算機的大腦就是CPU,我們知道CPU內最重要的2個部件是暫存器和計算單元，那麼如何用開關來讓計算機擁有計算能力和記憶能力？大家可以思考一下，後面的文章讓我們拋開硬體，通過抽象出來的邏輯閘來一步步設計和實現一個CPU。
參考資料：
《深入理解計算機系統》
《編碼：隱匿在計算機軟硬體背後的語言》
《深入淺出計算機組成原理》
《數位電子技術基礎》
《穿越計算機的迷霧》
百度百科
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原文映象：聊聊開關和CPU之間故事
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