通過加法器理解CPU的工作原理
2026年7月9日
這是計算機的大腦CPU
這是將CPU放大到100萬倍的樣子
CPU芯片上包含上百億個晶體管
這是其中的一個莫斯晶體管
莫斯晶體管可以通過控制山脊的電壓
來控制電流的輸出
山脊通電壓
電流就能流動
路通電壓
電流就不能流動
這是兩個莫斯晶體管
將晶體管的輸入端分別接上電源
並且讓兩個輸出端分別與同一個燈泡連接
這就組成了一個霍門電路
不管我們是打開左邊的開關
還是右邊的開關
又或者是兩個開關都打開
燈泡都會點亮
我們改一下電路
將第一個晶體管的輸出端
連接到第二個晶體管的輸入端
這樣我們就組成了一個宇門電路
不管是打開第一個開關
還是第二個開關
燈泡都不會點亮
只有將兩個開關同時打開
燈泡才能點亮
除了霍門和宇門
晶體管還可以組成一霍門電路
一霍門是有且只有一個開關打開時
燈泡纔會亮
當電路的開關關閉時表示爲0
開關打開時表示爲1
燈泡也一樣
燈泡點亮表示1
燈泡熄滅表示0
而計算機底層恰恰就是使用的0和1表示的二進制語言
那怎麼通過這些邏輯門電路控制計算機呢
只有兩個開關和兩個燈泡
現在我們通過宇門電路
連接開關和左邊的燈泡
由於兩個開關全部打開
燈泡點亮
只要有一個開關關閉
燈泡就會熄滅
爲了讓右邊的燈泡也亮起來
我們再添加一個一霍門電路
一霍門的輸出端連接到右邊的燈泡
現在打開其中一個開關
1和0經過一霍門時
輸出爲1
右邊燈泡點亮
經過宇門時
輸出爲0
左邊燈泡熄滅
最終的結果爲二進制的01
01對應的是時進制的1
當兩個開關都打開時
1和1經過一霍門時
輸出爲0
燈泡熄滅
1和1經過宇門時
輸出爲1
燈泡點亮
最終得到的結果就是二進制的10
10對應是時進制的2
可以看到
一霍門對應的是加核輸出
而宇門對應的是靜位輸出
比如5加5這個時進制的計算
相加後
各位就是0
這就是加核輸出
但是各位滿時了
需要向前進一位
得到1
這就是靜位輸出
二進制也一樣的道理
只不過逢二進一
但是這種加法運算器是半加起
只能計算一位的二進制
現在我們將左邊的燈泡去掉
並引入一根靜位線
靜位線再連接一個半加起
兩個半加起再進行連接
下面這裏改成用霍門連接
還是跟之前一樣
這裏是加核輸出
而這裏變成了靜位輸出
這種電路被稱爲全加起
全加起通過簡化
可以這樣表示
然後我們將8個這樣的全加起
通過靜位線連在一起
並在每個加法器上方都添加兩個開關
來表示輸入端類合併
然後將每個輸出連接一個燈泡
每個燈泡代表一個十進制數字
在左邊這裏有二進制和十進制的對應關係
現在我們看一下
全加起是怎麼計算一加一的
打開最右邊的兩個開關
從一合併兩個輸入端分別輸入一和一
這時是沒有靜位輸入的
所以CI這裏是零
前面說過加核輸出是一霍門
所以一和一經過一霍門SUM
得到結果爲零
但是靜位輸出是雨門
所以一和一經過雨門CO
得到靜位輸出是一
現在將靜位輸出的一
作爲第二個全加起的靜位輸入
由於A和B開關沒有開
所以輸入端類合併都爲零
那麼經過雨門CO
得到的靜位輸出爲零
而B和CI的只爲零和一
經過一霍門得到一
一代表燈泡兩
所以結果爲二
我們現在計算三加三
將右邊兩個開關打開
還是跟算一加一一樣
最終會有兩盞燈亮
兩盞燈的結果相加就等於六
當然這個加法器
只能計算250V以內的加法
你可以串聯更多的加法器
來計算更大的數據
CPU內部集成了大量的
由晶體管組成的各種複雜的電路
這些電路相互協作
從而構成了強大的計算機大腦