计算机在硬件层面究竟是怎么表示二进制 2

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电子说

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描述

我们先写出其真值表（真值表是在逻辑中使用的一类数学表，用来确定一个表达式是否为真或有效）：

A	B	X(输出)
0	0	0
0	1	1
1	1	0
1	0	1

其表达式也就是：计算机通过表达式我们就能知道，把非A与B的值和非B与A的值通过或门加起来就能得到异或门了

计算机

材料学的发展

上世纪材料学的发展也大力推动了计算机的蓬勃发展，计算机的硬件出现了3次大的更新换代

继电器与哈佛Mark1号

在1944年，为了给美国曼哈顿计划跑模拟，IBM建造出来首台自动按序控制计算机 哈弗Mark1号 ，有76万五千个组件，300万个连接点和500英里长的导线，重达4500公斤，占地面积有房间那么大。其大脑是由继电器组成的，其一秒能做3次加或减，乘法花费6秒，除法花费15秒

由于继电器的金属臂有“质量”，无法快速开关，1940年一个好的继电器一秒钟可以翻转50次，但是任何会动的机械都会随着时间出现物理磨损，部件会损坏，随着继电器数量增加，故障概率也会增加。真的是又慢又容易坏的大家伙，但瑕不掩瑜，其依旧具有跨时代的意义。

真空管与巨人一号

在1904年，英国物流学家弗莱明就已经开发了一种新的电子组件，叫做 真空管 ，也就是把两个电极装在一个气密的玻璃灯泡里，但弗莱明的这个电子部件，电流只能单向流动，俗称称为 "二极管"。要想制作计算机，需要能够控制电子的流动的东西。

在 1906 年，美国发明家"李·德富雷斯特"在"弗莱明"设计的两个电极之间，加入了第三个"控制"电极(一种栅栏式的金属网，形成电子管的第三个极)，向"控制"电极施加正电荷，它会允许电子流动；但如果施加负电荷，它会阻止电子流动。被命名为真空三极管，这样就能形成一个"开关"，可以“断开或闭合电路”。

由于真空管内没有会动的组件，想较于机械装置，磨损更少，又没有金属臂的限制，每秒可以开闭数千次，继电器一秒钟只能翻转50次左右，效率大大的提升。

第一个大规模使用真空管的计算机是"巨人1号"，标志着计算机从机电转向电子，电子计算机的大门自此打开。由工程师Tommy Flowers设计，完工于1943年12月，用于二战时破解德国军事通讯密码。

晶体管与IBM608

虽然真空管做计算机的大脑，解决了继电器许多缺陷，但是其还是容易损坏，就像灯泡一样烧坏。到1950年代，真空管计算机都达到了极限。

1947年，贝尔实验室发明了 晶体管 ，其成为了新的"开关",也标志着一个全新的计算机时代到来。晶体管不仅体积小，响应速度快（每秒切换开关能达到上百万次)，而且使用寿命也非常悠远，准确性高，稳定性好，不易损坏。关键它可以做得非常小，一块集成电路即可容纳十几亿到几十亿个晶体管。

晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,半导体顾名思义，可导电也可不导电，是常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，一般有硅、锗、砷化镓等

IBM608第一个完全用晶体管，消费者也可以买的起计算机。该计算机有3000个晶体管，每秒执行4500次加法，80次左右的乘除法。

计算机2大特性：计算能力和记忆能力

通过本文的阅读，我们知道了开关是一个生活中很普通的东西，但香农将开关、布尔代数联系的一起后，产生了化学反应。可以用一个个开关组合起来，成为 门电路 ，从而能够造成CPU。

随着材料学等发展，开关也从继电器到真空管，再到晶体管，相应速度，提交，使用寿命，成本都得到了明显的改善。他们制造出来的计算机也慢慢的变成了我们现在熟悉的计算机。

计算机的大脑就是CPU,我们知道CPU内最重要的2个部件是寄存器和计算单元， 那么如何用开关来让计算机拥有计算能力和记忆能力 ？大家可以思考一下，后面的文章让我们抛开硬件，通过抽象出来的逻辑门来一步步设计和实现一个CPU。

参考资料：

《深入理解计算机系统》

《编码：隐匿在计算机软硬件背后的语言》

《深入浅出计算机组成原理》

《数字电子技术基础》

《穿越计算机的迷雾》

https://cloud.tencent.com/developer/article/2135886

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