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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

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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