CPU的各个部分是如何通过电子元器件实现的

在前面的课程中，我们大致的了解了CPU的组成，了解了CPU的运算器和控制器是一个怎样的组成结构，主要作用是什么，那么我们在第8小节里面会将，CPU的运算器和控制，是如何通过电子元器件来实现的，或者说电子元器件到底是怎么构建出cpu芯片的。。

 

 

 

 

 

 

 

 

8.1 从三极管到计算机

我们通过下面这张图就能大概的知道，三极管是如何一步一步的构建出我们的计算机的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（1）三极管

因为三极管内部的工作原理就是模拟的，所以三级管属于《模拟电路》这部分课程的内容。

 

（2）门电路，时序电路，触发器，组合电路

这些由是由三极管所构建的数字电路的，这些电路的工作原理属于《数字电路》这门课程的内容。

 

（3）集成电路

属于微电子主要研究的是，研究如何将门电路，时序电路，触发器，组合电路等数字电路集成到芯片中。

（4）计算机

设计原理图，绘制PCB板，通过PCB板，将各种集成芯片，比如CPU、内存颗粒、显卡等等，以及各种电阻、电容、电感等连接在一起，构成计算机的电路板，属于电子的内容。

 

当然除了以上这些外，还有计算机外壳的设计，这些是属于产品结构工程师要做的事情。

 

8.2 三极管

8.2.1 符号与实物图

 

 

 

 

 

 

我们在硬件基础知识部分就讲过，三极管属于半导体电子元器件。

 

8.2.2 三极管的功能

（1）三级管的基本功能

1）基本功能

（a）通过向1端输入一个微小的电流，

·可以控制2和3之间导通与关闭

 

·2与3之间导通之后，2和3端流通的电流会比1端电流大，相当于1段电流相当于被放大了，而且这种放大成一定的倍数。

实际上1端输入的微小电流也会进入3端，也就是说3端的电流=1端微小电流+2端电流，但是由于1端输入的电流太小了，可以忽略不急，因此我们认为2端和3端电流是一样的

 

（b）与三级管工作原理相似的例子：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

上面这张小水流控制大水流的示意图，与三极管工作的逻辑非常相似，小水流大小会通过杠杆控制大水流管的开关幅度，从而实现了以小空大，同样有两方面的功能，一个是控制控制大水管开与关，二是水流可以被放大。

 

2）三极管的使用有两个方向

1）侧重使用电流放大功能

2）是侧重使用其开关功能（即用于设计二进制数字电路）。

 

 

（2）电流放大功能

1）侧重关心电流的放大

使用电流放大功能时，并不是说三极管就没有开关功能，只是使用者着重关心的是电流的放大。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

使用电流放大功能时，着重关心的是2和3导通后对1端输入电流的放大（电流不可能被无限制放大）。如果1端输入的电流增加或者减少，那么2 3之间的的电流会按照某个倍数同步的增加或者同步减少，至于放大倍数是多少，就需要查看《模拟电路》这本书里面的内容了。

 

 

 

 

 

2）电流放大的用途

（a）目的：驱动加大需要大电流的设备工作

当我们希望用某电流控制电子设备工作，但是这个这种控制型的电流一般都是芯片发出的，一般情况下电流都非常的小，根本无法正常驱动设备工作，这个时候就可以使用这个放大功能，让放大后的电流去驱动外部设备工作。

 

（b）例子：驱动蜂鸣器的例子

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

比如这张图里面，芯片IO口输出的电流太小，无法驱动蜂鸣器，这个时候通过控制一个三极管，三极管导通后，5V的电压加在蜂鸣器两端，会产生一个大很多的电流，这个电流就可以驱动蜂鸣器。

 

（3）开关功能

1）开关功能侧重点：开与关

开关作用就是，侧重关心2 3之间的导通与关闭（即开与关），尽管电流还是有被放大的话，但是并不关心2与3之间对于1端输入的电流放大了多少，重点只关心三极管的开与关。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在上面这张图中，在5V电源与2端之间接一个电阻R1，在3端和地之间接一个电阻R2，这样子就能控制控制3端的输出电压了，提供高低电平的输出，用于表示二进制要求的1/0。

 

（a）开三极管

通过1端把三极管打开后，2和3之间就看成是一根导线(实际上2和3之间也是分走一点电压的)，假设流通的电压为I，那么

5V = R1*I + R2*I

 

总电压等于两个电阻电压之和，5V分摊在了R1和R2上，只要R1和R2的电阻值选取合适，我们就能够将R2电阻两端的电压控制在2.5v~5v之间，也就是说三极管3端输出的电位为2.5v~5v，也就是说输出了高电平。

 

 

（b）关三极管

当1端不再输入电流时三极管就被关闭，2与3端没有导通电流，在电阻两端没有电压，此时输出电平就为低电平，即0v。

 

2）开关功能的用途

通过控制三极管的开关功能，就能控制输出高低电平，三极管就表现出了开关特性，因为这个开关特性备用于设计数字电路，因此三极管便成为了数字电路的基石，在前面的课程中我们也讲过，现在在集成电路中大多已经使用MOS管了，MOS管和三极管在内部机构上虽然不同，但是在外部特性上的表现差不多，因此在集成电路中，mos管才被用于代替三极管，因为MOS管的体积更小，有利于提高集成密度。

 

8.2.3 三极管的分类

三极管分为两种，这两种因为内部结构的不同，一种叫PNP，一种叫做NPN，三极管符号如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

前面为了讲课的方便，我们将三极管的三端标记为1段、2端、3端，实际上这三端都有对应的名称，分别叫叫基极（符号B），集电极（符号C），发射极（符号E）。这两种不同的三极管的实物外形没有什么不同，只能通过标记的NPN或者PNP来区别，由于篇幅关系，这里不在详述有关这来那个之间的具体区别。

 

8.2.4 三极管知识掌握深度把握

（1）it开发者

对于偏向编程的it开发工程师来说，对于三级管的理解到这个层次就已经可以了，我们只需要关心三级管在宏观上所表现出来的特性即可。

 

（2）微电子和硬件工程师

要求对三极管的特性，比如内部结构、电压电流关系非常清楚。

 

我们这里的课程是程是体系结构介绍性质的课程，进行了严格的深度控制，只讲我们这堂课所应该要设计的内容和深度，如果你确实对三极管的更多深入知识感兴趣的话，我们会在后面的模拟电子这门课中，详细讲解三极管的内部原理等知识。

作者：佳嵌工作室

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