计算机在硬件层面究竟是怎么表示二进制 1

jf_78858299 2023-02-01 1157

电子说

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本篇文章来看看计算机在硬件层面究竟是怎么表示二进制的，CPU究竟是怎么实现的？通过本文的学习，我们也可以反过来明白为什么计算机会采用二进制了。

开关

我们在生活中，处处都是开关，比如控制灯的开关! 计算机

我们可以发现一个很简单的现象：

串联的开关，只有2个开关都闭合，灯泡才亮。这也就是布尔代数中"逻辑运算与"
并联的开关，只要有1个开关闭合，灯泡就会亮。这也就是布尔代数中"逻辑运算或"

我们以最简单的2个数，0和1来举个例子，写出其布尔代数的真值表：

与		结果
0	0	0
0	1	0
1	1	1
1	0	0

或		结果
0	0	0
0	1	1
1	1	1
1	0	1

电报和继电器

在人类信息传递发展的历史上，长途信息传递一直是非常困难的时，当时常见的方式有，比如人骑马送信，训练信鸽、点燃烽火，但信息传递的效率都非常低效。直到电报的出现，电报思想的正式成形是在19世纪早期，它的让人类传递信息的效率得到极大的提升。

电报利用电的特性来传递信息，早期设计复杂且不稳定，传递的信息复杂度又比较低，1837年美国人摩尔斯通过电磁感应改良了发报机，并发明了 摩尔斯电码 。他将电报划分为2种信号，短促的"点信号"和长一点的"划信号", 将把“点”当成“1”，把“划”当成“0”(这不就是二进制嘛),并编写了个“字典”将字母及数字编码一一对应，这样就能传递复杂的信息，在未来产生了巨大影响力，意味着现代通信的开始。

由于早期的电报传输，需要铺设电线，但是随着电线越长，其电阻就越大，电信号常常传输过程中被消耗点，这样接受方就无法接收到信息了。幸运的是，工程师发明了 继电器 ，其原理就是 接收微弱的信号，然后不断地通过新的电源重新放大已经开始衰减的原有信号，最后把它增强后发送出去 。计算机

当开关是打开的话，灯泡是不亮的；但当开关是闭合的话，电流流过围绕在铁棒上的线圈，会发生电磁效应，铁棒就具有了磁性，会将弹簧片吸下来，右边电路就通了，灯泡就会亮了。这样通过继电器，一段段放大信号，电报就能长距离传输信息了。

虽然继电器有放大信号的作用，但和开关一样继电器也可以串联或并联以执行逻辑中的简单任务，

继电器比起普通的开关的优势在于继电器无需直接被输入者控制，可以被其他继电器控制，这样就可以组合完成更复杂的操作 。

比如我们可以通过继电器实现: 当我们闭合开关时，灯泡关闭;当我们打开开关时，灯泡去点亮这种灯泡的状态和开关的闭合状态相反的操作,普通开关是无法实现这种操作的。这些电路物理的表象下隐藏的逻辑关系，一直没有被人发现。

直到1938年，克劳德·香农在麻省理工学院所写的硕士论文《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》中阐述了继电器和开关电路中的符号分析之间的关系，他将开关、继电器、二进制、布尔代数联系起来。也就是发现 人类可以通过开关和继电器这些普通的电路，直接就能实现布尔代数各种逻辑运算操作 。这些继电器的组合被称为 逻辑门 ，他们构造基本的逻辑电路，也叫 门电路 。

门电路

计算机

上面是3种最最基本的门：

与门，两个开关只有同时打开，电流才会通过，灯泡才会亮
非门，当开关闭合时,电流会通过，灯泡会亮;开关打开，电流不能通过反而，灯泡熄灭
或门，两个开关中只要有一个打开电流就能通过，灯就会点亮

这些门其实就是一个个"开关"的抽象, 以后我们需要的各种复杂的逻辑都可以通过这3个门来实现，真的是非常奇妙我们再来看一个常见的门：异或门XOR 计算机

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