CPU的各個部分是如何通過電子元器件實現的

在前面的課程中，我們大致的了解了CPU的組成，了解了CPU的運算器和控制器是一個怎樣的組成結構，主要作用是什么，那么我們在第8小節里面會將，CPU的運算器和控制，是如何通過電子元器件來實現的，或者說電子元器件到底是怎么構建出cpu芯片的。。

8.1 從三極管到計算機

我們通過下面這張圖就能大概的知道，三極管是如何一步一步的構建出我們的計算機的。

（1）三極管

因為三極管內部的工作原理就是模擬的，所以三級管屬于《模擬電路》這部分課程的內容。

（2）門電路，時序電路，觸發器，組合電路

這些由是由三極管所構建的數字電路的，這些電路的工作原理屬于《數字電路》這門課程的內容。

（3）集成電路

屬于微電子主要研究的是，研究如何將門電路，時序電路，觸發器，組合電路等數字電路集成到芯片中。

（4）計算機

設計原理圖，繪制PCB板，通過PCB板，將各種集成芯片，比如CPU、內存顆粒、顯卡等等，以及各種電阻、電容、電感等連接在一起，構成計算機的電路板，屬于電子的內容。

當然除了以上這些外，還有計算機外殼的設計，這些是屬于產品結構工程師要做的事情。

8.2 三極管

8.2.1 符號與實物圖

我們在硬件基礎知識部分就講過，三極管屬于半導體電子元器件。

8.2.2 三極管的功能

（1）三級管的基本功能

1）基本功能

（a）通過向1端輸入一個微小的電流，

·可以控制2和3之間導通與關閉

·2與3之間導通之后，2和3端流通的電流會比1端電流大，相當于1段電流相當于被放大了，而且這種放大成一定的倍數。

實際上1端輸入的微小電流也會進入3端，也就是說3端的電流=1端微小電流+2端電流，但是由于1端輸入的電流太小了，可以忽略不急，因此我們認為2端和3端電流是一樣的

（b）與三級管工作原理相似的例子：

上面這張小水流控制大水流的示意圖，與三極管工作的邏輯非常相似，小水流大小會通過杠桿控制大水流管的開關幅度，從而實現了以小空大，同樣有兩方面的功能，一個是控制控制大水管開與關，二是水流可以被放大。

2）三極管的使用有兩個方向

1）側重使用電流放大功能

2）是側重使用其開關功能（即用于設計二進制數字電路）。

（2）電流放大功能

1）側重關心電流的放大

使用電流放大功能時，并不是說三極管就沒有開關功能，只是使用者著重關心的是電流的放大。

使用電流放大功能時，著重關心的是2和3導通后對1端輸入電流的放大（電流不可能被無限制放大）。如果1端輸入的電流增加或者減少，那么2 3之間的的電流會按照某個倍數同步的增加或者同步減少，至于放大倍數是多少，就需要查看《模擬電路》這本書里面的內容了。

2）電流放大的用途

（a）目的：驅動加大需要大電流的設備工作

當我們希望用某電流控制電子設備工作，但是這個這種控制型的電流一般都是芯片發出的，一般情況下電流都非常的小，根本無法正常驅動設備工作，這個時候就可以使用這個放大功能，讓放大后的電流去驅動外部設備工作。

（b）例子：驅動蜂鳴器的例子

比如這張圖里面，芯片IO口輸出的電流太小，無法驅動蜂鳴器，這個時候通過控制一個三極管，三極管導通后，5V的電壓加在蜂鳴器兩端，會產生一個大很多的電流，這個電流就可以驅動蜂鳴器。

（3）開關功能

1）開關功能側重點：開與關

開關作用就是，側重關心2 3之間的導通與關閉（即開與關），盡管電流還是有被放大的話，但是并不關心2與3之間對于1端輸入的電流放大了多少，重點只關心三極管的開與關。

在上面這張圖中，在5V電源與2端之間接一個電阻R1，在3端和地之間接一個電阻R2，這樣子就能控制控制3端的輸出電壓了，提供高低電平的輸出，用于表示二進制要求的1/0。

（a）開三極管

通過1端把三極管打開后，2和3之間就看成是一根導線(實際上2和3之間也是分走一點電壓的)，假設流通的電壓為I，那么

5V = R1*I + R2*I

總電壓等于兩個電阻電壓之和，5V分攤在了R1和R2上，只要R1和R2的電阻值選取合適，我們就能夠將R2電阻兩端的電壓控制在2.5v~5v之間，也就是說三極管3端輸出的電位為2.5v~5v，也就是說輸出了高電平。

（b）關三極管

當1端不再輸入電流時三極管就被關閉，2與3端沒有導通電流，在電阻兩端沒有電壓，此時輸出電平就為低電平，即0v。

2）開關功能的用途

通過控制三極管的開關功能，就能控制輸出高低電平，三極管就表現出了開關特性，因為這個開關特性備用于設計數字電路，因此三極管便成為了數字電路的基石，在前面的課程中我們也講過，現在在集成電路中大多已經使用MOS管了，MOS管和三極管在內部機構上雖然不同，但是在外部特性上的表現差不多，因此在集成電路中，mos管才被用于代替三極管，因為MOS管的體積更小，有利于提高集成密度。

8.2.3 三極管的分類

三極管分為兩種，這兩種因為內部結構的不同，一種叫PNP，一種叫做NPN，三極管符號如下：

前面為了講課的方便，我們將三極管的三端標記為1段、2端、3端，實際上這三端都有對應的名稱，分別叫叫基極（符號B），集電極（符號C），發射極（符號E）。這兩種不同的三極管的實物外形沒有什么不同，只能通過標記的NPN或者PNP來區別，由于篇幅關系，這里不在詳述有關這來那個之間的具體區別。

8.2.4 三極管知識掌握深度把握

（1）it開發者

對于偏向編程的it開發工程師來說，對于三級管的理解到這個層次就已經可以了，我們只需要關心三級管在宏觀上所表現出來的特性即可。

（2）微電子和硬件工程師

要求對三極管的特性，比如內部結構、電壓電流關系非常清楚。

我們這里的課程是程是體系結構介紹性質的課程，進行了嚴格的深度控制，只講我們這堂課所應該要設計的內容和深度，如果你確實對三極管的更多深入知識感興趣的話，我們會在后面的模擬電子這門課中，詳細講解三極管的內部原理等知識。

作者：佳嵌工作室

51CTO免費視頻地址：http://edu.51cto.com/lecturer/12941022.html

課程進度咨詢QQ群：528495268

轉載請說明源地址。