關(guān)于門(mén)電路詳細(xì)解析

之前，我引入過(guò)一個(gè)技術(shù)問(wèn)題：

有2個(gè)設(shè)備A、B，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連通可交互數(shù)據(jù)，其中A有外接按鍵，B有小顯示屏。

2個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)這樣的程序：A鍵盤(pán)上按下某個(gè)按鍵，B顯示屏將按鍵值顯示出來(lái)。

請(qǐng)問(wèn)：從A按下按鍵那一刻起，到B顯示屏看到按鍵值，”按鍵值“這個(gè)數(shù)據(jù)是怎么從A的按鍵傳輸?shù)紹的顯示屏的？

我們接著回答這個(gè)問(wèn)題。

在文章《半導(dǎo)體與MOS管》中講了計(jì)算機(jī)世界的物質(zhì)基礎(chǔ)，講了半導(dǎo)體的物理原理、三極管的導(dǎo)通原理，最后講到利用MOS管的「通」與「斷」兩種狀態(tài)來(lái)造一顆芯片。

那么怎么利用MOS管的「通」與「斷」點(diǎn)亮一朵小黃燈呢？

我們先了解下人類(lèi)是怎么在大腦中點(diǎn)燈（思維）的。

邏輯

大腦在思維過(guò)程中會(huì)運(yùn)用的一種非常重要的思維形式：推理。

即，把事物劃分成不同的集合，通過(guò)一定的判斷，找出集合之間的關(guān)系，形成結(jié)論。

下面這個(gè)推理是不是一個(gè)真理，我們用集合間的關(guān)系式來(lái)證明它。

首先，第一句。

所有關(guān)注「科巖成果」的人組成一個(gè)集合A，全世界的人才組成一個(gè)集合B。

A與B的交集就表示成

A x B = A

上面這個(gè)式子意思是關(guān)注「科巖成果」的人與全世界人才的交集，就是關(guān)注「科巖成果」的人。

接著，第二句。

花不脫也是一個(gè)集合H，這個(gè)集合里面只有花不脫一個(gè)成員。

H x A = H

這個(gè)式子表示，花不脫與關(guān)注「科巖成果」的人的交集，就是花不脫。

用代入法，把第一個(gè)式子代入到第二個(gè)中：

H x A = H x（A x B）

利用交換律把先后順序修改一下：

H x（A x B）

=（H x A）x B

= H x B

= H

這個(gè)式子表示，花不脫與全世界人才的交集，就是花不脫，即花不脫也屬于全世界的人才。

推理過(guò)程中要遵循一定的思維規(guī)則，思維規(guī)則指的就是邏輯，很明顯，我們剛剛的證明是合乎邏輯的，「花不脫是人才」這個(gè)推理是真理。

一個(gè)推理是真理，在布爾代數(shù)中用1表示，不是真理就用0表示，即，1和0不代表數(shù)字大小，而是代表「真」「假」。

人類(lèi)世界有人類(lèi)世界的邏輯，計(jì)算機(jī)世界中也有計(jì)算機(jī)的邏輯。

門(mén)電路

計(jì)算機(jī)中的邏輯使用門(mén)電路實(shí)現(xiàn)的。

先回味一下邏輯「與或非」是什么意思：

?與：條件全為真，則結(jié)論為真；只要一個(gè)條件為假，則結(jié)論為假

?或：只要有一個(gè)條件為真，則結(jié)論就為真；條件全為假，則結(jié)論為假

?非：條件為真，結(jié)論為假；條件為假，結(jié)論為真

如果把小燈泡的亮看做「真」，滅看做「假」，則可以用小燈泡電路說(shuō)明這三種邏輯關(guān)系。

「與」邏輯，其實(shí)就是個(gè)串聯(lián)電路，兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合時(shí)，燈泡才亮，只一個(gè)閉合，燈泡是不會(huì)亮的：

「或」邏輯是并聯(lián)電路，只要一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，燈泡就可以點(diǎn)亮：

「非」邏輯取反，開(kāi)關(guān)閉合時(shí)燈泡不亮，開(kāi)啟時(shí)才亮：

上面這些電路都需要物理開(kāi)關(guān)來(lái)控制，小孩子都會(huì)，我們來(lái)玩稍微高級(jí)一點(diǎn)的。

還記得上篇文章講到的二極管的單向?qū)щ娦悦矗?a target="_blank">電源正向接可以當(dāng)做通路，否則當(dāng)做斷路。

我們就用二極管的這個(gè)性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)與邏輯。

按上面這個(gè)電路接好后，如果A點(diǎn)接3.3V，B點(diǎn)也接3.3V，則D1與D2兩邊均為高電平。均可當(dāng)做斷路狀態(tài)，這時(shí)Y點(diǎn)是高電平，小燈泡被點(diǎn)亮。

A或B只要有一個(gè)點(diǎn)接低電平，則對(duì)應(yīng)的二極管就會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài)，Y點(diǎn)是低電平，小燈泡熄滅。

這就是一個(gè)二極管的邏輯與電路，我們給它起個(gè)學(xué)名，叫「與門(mén)」。

一般我們?cè)陔娐穲D中不用上面的結(jié)構(gòu)表示與門(mén)，因?yàn)楸容^復(fù)雜，而是會(huì)用下面這樣簡(jiǎn)化的符號(hào)，可以把這個(gè)簡(jiǎn)化符號(hào)看做是上面那個(gè)電路圖的封裝。

如果把3.3V看做「真」，用邏輯1表示，把0V看做「假」用邏輯0表示，則A、B與Y之間的關(guān)系可以用如下表格表示，這個(gè)表格叫做「真值表」。

下面我們?cè)俅钜粋€(gè)非門(mén)出來(lái)。

還記得上篇文章「一沙一世界」之半導(dǎo)體與MOS管 的MOS管么。

?P-MOS，D接低電平，S接高電平；G極為低電平時(shí)DS導(dǎo)通，高電平斷開(kāi)，可用于控制與電源之間的通斷

?N-MOS，D接高電平，S接低電平；G極為高電平時(shí)DS導(dǎo)通，低電平斷開(kāi)，可用于控制與地之間的通斷

非門(mén)我們就再高級(jí)一點(diǎn)，用MOS管實(shí)現(xiàn)。

如上圖，把一個(gè)P-MOS管的D極和一個(gè)N-MOS管D極連在一起，G極也相互連接，就構(gòu)成了一個(gè)非門(mén)電路。

?當(dāng)A點(diǎn)為低電平時(shí)，P型管導(dǎo)通，N型管截止，輸出端Y是高電平；

?當(dāng)A點(diǎn)為高電平時(shí)，N型管導(dǎo)通，P型管截止，輸出端Y是低電平。

A與Y之間的關(guān)系剛好相反，如下表：

將兩種類(lèi)型的MOS管結(jié)合在一起形成的互補(bǔ)門(mén)電路稱(chēng)為CMOS門(mén)電路（互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）。

用三極管也能組成門(mén)電路，稱(chēng)為T(mén)TL門(mén)電路（晶體管－晶體管邏輯，Transistor-Transistor Logic）。

與TTL門(mén)電路相比，CMOS門(mén)電路具有功耗低、尺寸小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

目前TTL門(mén)電路主要用于教學(xué)或制作比較簡(jiǎn)單的數(shù)字電路，而我們使用的電腦處理器、手機(jī)處理器，還有各式各樣的單片機(jī)都是以CMOS門(mén)電路為基礎(chǔ)制制造的。

常用的門(mén)電路還有很多，就不細(xì)說(shuō)了，貼張基本門(mén)電路圖：

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我們現(xiàn)在可以用門(mén)電路進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯處理了。

我隱約覺(jué)得，在計(jì)算機(jī)的世界中，門(mén)電路，就是物質(zhì)與邏輯的邊界。
編輯：lyn