關(guān)于門電路詳細解析

之前，我引入過一個技術(shù)問題：

有2個設(shè)備A、B，通過網(wǎng)絡連通可交互數(shù)據(jù)，其中A有外接按鍵，B有小顯示屏。

2個設(shè)備實現(xiàn)這樣的程序：A鍵盤上按下某個按鍵，B顯示屏將按鍵值顯示出來。

請問：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？

我們接著回答這個問題。

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

那么怎么利用MOS管的「通」與「斷」點亮一朵小黃燈呢？

我們先了解下人類是怎么在大腦中點燈（思維）的。

邏輯

大腦在思維過程中會運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，通過一定的判斷，找出集合之間的關(guān)系，形成結(jié)論。

下面這個推理是不是一個真理，我們用集合間的關(guān)系式來證明它。

首先，第一句。

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

A與B的交集就表示成

A x B = A

上面這個式子意思是關(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。

花不脫也是一個集合H，這個集合里面只有花不脫一個成員。

H x A = H

這個式子表示，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，把第一個式子代入到第二個中：

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」這個推理是真理。

一個推理是真理，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」。

人類世界有人類世界的邏輯，計算機世界中也有計算機的邏輯。

門電路

計算機中的邏輯使用門電路實現(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；只要一個條件為假，則結(jié)論為假

?或：只要有一個條件為真，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明這三種邏輯關(guān)系。

「與」邏輯，其實就是個串聯(lián)電路，兩個開關(guān)同時閉合時，燈泡才亮，只一個閉合，燈泡是不會亮的：

「或」邏輯是并聯(lián)電路，只要一個開關(guān)閉合，燈泡就可以點亮：

「非」邏輯取反，開關(guān)閉合時燈泡不亮，開啟時才亮：

上面這些電路都需要物理開關(guān)來控制，小孩子都會，我們來玩稍微高級一點的。

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

我們就用二極管的這個性質(zhì)來實現(xiàn)與邏輯。

按上面這個電路接好后，如果A點接3.3V，B點也接3.3V，則D1與D2兩邊均為高電平。均可當做斷路狀態(tài)，這時Y點是高電平，小燈泡被點亮。

A或B只要有一個點接低電平，則對應的二極管就會處于導通狀態(tài)，Y點是低電平，小燈泡熄滅。

這就是一個二極管的邏輯與電路，我們給它起個學名，叫「與門」。

一般我們在電路圖中不用上面的結(jié)構(gòu)表示與門，因為比較復雜，而是會用下面這樣簡化的符號，可以把這個簡化符號看做是上面那個電路圖的封裝。

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，這個表格叫做「真值表」。

下面我們再搭一個非門出來。

還記得上篇文章「一沙一世界」之半導體與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DS導通，高電平斷開，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DS導通，低電平斷開，可用于控制與地之間的通斷

非門我們就再高級一點，用MOS管實現(xiàn)。

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

?當A點為低電平時，P型管導通，N型管截止，輸出端Y是高電平；

?當A點為高電平時，N型管導通，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：

將兩種類型的MOS管結(jié)合在一起形成的互補門電路稱為CMOS門電路（互補式金屬氧化物半導體，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）。

用三極管也能組成門電路，稱為TTL門電路（晶體管－晶體管邏輯，Transistor-Transistor Logic）。

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

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

常用的門電路還有很多，就不細說了，貼張基本門電路圖：

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我們現(xiàn)在可以用門電路進行簡單的邏輯處理了。

我隱約覺得，在計算機的世界中，門電路，就是物質(zhì)與邏輯的邊界。
編輯：lyn