Release Note:
2017/6/19 12:00 添加逻辑电路子项
2017/6/16 10:00 添加二极管、三极管子项

目录

一直想写点内容，希望囊括计算机系统从底层硬件到操作系统，乃至网络相关知识，但苦于才疏学浅，无力提笔。因此尝试着先根据现有知识慢慢搭建一个框架，完成自我知识图谱。这个系列所有文章的主题都围绕计算机内部运作原理，我没有各大家的实践经验，只能是从现有知识库中不断学习、总结、思考。纸上得来终觉浅，望共同进步。

废话讲完，提出第一个概念。未必精确，但是文章的前提。

1.发明

相信本文的读者都应该知道发明和发现的区别。

发明是一种独特的、创新的有形或无形物，或是指其开发的过程。可以是对机械、装置、产品、概念、发明的创新或改进。这里最重要的一个关键词是创新。

创新是指以现有的思维模式提出有别于常规或常人思路的见解为导向，利用现有的知识和物质，在特定的环境中，奔着理想化需要或称为满足社会需求，去改进或创造出新的事物、方法、元素、路径、环境，并获得一定有益效果的行为。

白纸黑字，清清楚楚，发明的一种是创新，创新将利用现有知识和物质。这就是为什么我要以电学知识作为系列的开篇，因为并不是先发明了计算机，才觉得需要发明一种电的东西来供其内部运转。恰恰相反，正是因为电学知识、硬件工艺、自然科学等发展到一定阶段，才有某一个人，站在大家的肩膀上，发明了计算机。

只有现将这个概念铭记于心，才能以正确的视角去考虑内部实现技术。总有人问，为什么不以更好的技术来实现某一概念？为什么不以更高的思想来设计某一内容？不为什么，只是因为当时所有知识储备、技术发展所限。

2.什么是电

2.1 物质形态

所有肉眼可见的物质都是由分子构成，分子则由原子组成，原子进一步由相互作用的原子核（质子和中子）和电子云（电子）组成。常见的物质状态有如下三种：

• 固态

  
  
  固态

• 液态

  
  
  液态

• 气态

  
  
  气态

以水为例，温度变化时可以再固态、液态、气态相互转换，其内部原子数量并未改变，改变的仅仅是原子间排列方式。

2.2 原子结构

原子结构

电子和质子是通过电磁力相互吸引的，对于电磁力，我们这里并不深究，只要看成是一种力即可。这种力将电子束缚在一个环绕原子核的静电位势阱中，要从这个势阱中逃逸则需要外部的能量。同样的，所谓静电位势阱也并不需要深入研究，除非你感兴趣，这里直接看成一个轨道即可。

这里的重点是，逃逸需要外部的能量，而外部的能量必然是要能使分子更加活跃的能量。布朗运动告示我们，温度越高时，粒子的运动越活越。换言之，如果能够通过加热方式提供额外的能量供电子逃逸，那么加热是可能引起电子流动的。

2.3 电流

电流是电荷的移动，前面提到电子带有一个单位的负电荷，也就是说电子的移动形成了电流，电流方向与电子运动方向相反。我们现在都知道电流都是从正极流向负极的，也就是说电子实际上是从负极流向正极的。

不同物质甚至同一物质的不同形态下，原子核对电子的吸附能力是不同的，也就是说，电子在不同物体中穿梭移动时，所遇到的阻力也是各不相同的。这就是电阻的由来。电阻可以从0到无穷大，对应的也可以将物质分为如下三类：

• 绝缘体
• 半导体（满足特定条件下表现近似为导体，否则表现近似为绝缘体）
• 导体

如上所述，电子是从负极流向正极，而生活中正常物体是不带电的（内部电荷均衡，质子和电子数相等）。假使我们将一根电阻为0（实际上没有这种导线）的导线两端相连，这时导线内部并不会形成电流，因为没有电子会第一个移动，大家都很稳定。假如能够剥动第一个电子，那么这个电子会与相邻原子中电子相撞，根据能量守恒定律，这个电荷将依次传递，形成电流，循环往复，永不停息。

然而事实上找不到电阻为0的导线，电流移动过程中一定会被导线消耗一部分能量，转换为热能，直到耗尽。同样的，也必须通过引入具有电势差的电池提供额外的能量来驱使电子流动，形成电流。

2.3.1 直流电与交流电

进一步之前，先讲一下电池的原理。电池实际上是电容，即电容器。

历史上人们从自然现象中发现电，如静电、闪电，但不可能每次使用电都需要等待闪电的来临，因此必须先存储起来。存储使用到的容器就是电容器是两金属板之间存在绝缘介质的一种电路元件。它利用两个导体之间的电场来存储能量，两个导体所带的电荷大小相当，符号相反。

放电时，电容提供恒定（或逐渐衰弱）大小的电流，也称为直流电。

一开始，直流电是能满足实验场景要求的，但到了远距离传输时，随着导线距离的增长，总电阻增大，能量消耗剧增，同时抵到用户的电压也远不如发送端电压值。这时，交流电闪亮登场了。

交流电的由来需要基于电磁感应现象的发现：

• 导线通电时，会在其周围产生微弱磁场
• 磁场中，使用导线切割磁感线时，会产生微弱电流

基于此，发电机的结构如下，不管转动的是磁铁还是导线，其核心目的都是切割磁感线。

大部分交流发电机都是圆周运动的，因为圆周运动适合水力、风力等自然力的利用，同时也能最大面积铺设导线进行切割动作。也因为如此，交流发电机产生的电流成正弦波形状。

2.3.2 变压器

既然有了直流电的前车之鉴，那么交流电就应当尽力避免高损耗引起的电压不足。同样还是基于电磁感应，发明了变压器。

升压后，根据欧姆定律，导线自身功率大幅减小，所消耗能量也随之降低。

接入用户前，通过变压器降压为电器匹配的电压即可。

2.3.3 电感

变压器发明过程中，出现了一个现象，当只有一组线圈时，通断电瞬间会出现极大电流。这种现象称为自感。自感的来源实质上是因为电荷移动速度很快，导致电流速度也很快，电转磁所产生的磁场也急剧变化，变化同时，会切割本身线圈，产生感应电流。由于所有变化都非常快，根据法拉第电磁感应定律计算可得，瞬时电动势将会十分巨大。

3. 其他元器件

3.1 二极管

我想一定有人对二极管内部原理很好奇，至少我是。上学时候只知道二极管具有单向导电性，至于为什么这么神奇，却无人告知，直到这幅图摆在眼前。

真空二极管

那么有人会问，单向导电性又体现在何处？同样的，前面提到过，电子是从负极流向正极，也就是此处的阴极流向阳极。假如将连接在两极的电势差颠倒，阴阳置换，那么不管你的灯丝再怎么加热，能量再怎么巨大，电子也不可能从阳极流向阴极。因为它确实做不到啊。

上面的是传统电路制成的二极管，随着材料硅锗等半导体材料技术的发展，人们发现，在本征半导体（近似纯净半导体，如99.999999%纯度）两端掺入其他元素，比如磷、硼等，同样可以呈现出电路二极管的特性，并且相对传统电路二极管，半导体二极管还有如下优点：

• 节省了灯丝发热所消耗的电能
• 半导体可以做小，因为不需要给内部元器件留下真空空间

在掺入元素进行实验的同时，人们还发现，部分元素通电后可使半导体发出不同颜色光线，这也就是发光二极管的由来。发光二极管可不只是用来做机箱上闪烁的信号指示灯那么简单，电视机、显示器等显示设备也是基于该原理才研制而成。

3.2 三极管

二极管有人发明了，却也有人闲不住，想对传统二极管电路玩点花样，没想到居然弄出了三极管。

简单的来讲，就是在二极管阴极、阳极间加了个网（便于电子通过），网上再加上一个电压，就算是完成了三极管制作了。

那三极管用来干嘛？我相信大部分人了解的是三极管可以控制电流大小，使用领域最大也最开始的是放大器。放大器是个好东西，最早时候电话发明时，还没有放大器，导致采集端、播放端都有损失，讲的话听不清，也就失去了电话的意义。

问题是，凭什么可以放大？凭什么说可以控制电流？

还是能量守恒定律，或者说电荷守恒定律，电流不可能凭空产生，能量来源其实也就是中间的网额外提供了。

• 当网上施加负电压时，电子不再会往网方向流动，毕竟电子只能从负极网正极流动，此时没有电流形成，对应截至区
• 当网上施加正电压时，随着电压值增大，电流会随之增大而增大，直至超出了放大区，进入饱和区

至于三极管的放大、截止、饱和区，我尝试理解再描述，未果，因此不再详述，有兴趣的读者可以自行了解，也欢迎了解后留言以便大家共同进步。

4. 逻辑电路

4.1 时序逻辑电路

电路方面可分为如下两类：

• 组合逻辑电路
  如加法器，它们的输出完全取决于电路当前的输入。如下图所示，其中没有任何存储单元，也就无法进行所谓"状态"的记忆。S,C信号值完全取决于A,B的瞬时值，与其他因素无关。

• 时序逻辑电路
  时序逻辑电路与组合逻辑电路最主要的区别就在于时序电路添加了状态的概念，也就是说，它能跟踪电路早于当前时刻的信息。从输出的角度来讲，时序逻辑电路的输出将根据电路输入以及存储单元中信息决定。
  

举个例子，同样是加法器，组合逻辑电路实现的必须从外界寄存器中获取两个被加数，并将结果保存到其他寄存器中。而时序逻辑电路实现的加法器则可以选择保存一个数至存储单元中，如前一次执行加运算后的结果，这样在连续加操作时，下一次就只需要取一个被加数即可。

4.2 时序

为什么要划分时序？如果你了解过流水线技术，那么应该知道任务是可以被分解为多个步骤或模块的。无论是不同步骤间的衔接，还是多个模块尽可能并行，都需要时序作为统一协调的方法。

基本的时序元器件有锁存器和触发器两种。

• 锁存器latch
  锁存器是数字电路中异步时序逻辑电路系统中用来存储信息的一种电子线路，每个锁存器可单独存储1 bit的信息，通常会多个一起出现。典型的有RS锁存器。
  

  
  其核心原理是通过与非门及信号反馈来实现锁存。

• 触发器Flip-flop
  触发器有两种稳态，科技路二进制数值信号“0”和“1”，用于存储。触发器结构由SR锁存器派生二来，可以处理输入、输出信号和时钟频率之间的相互影响。典型的有RS触发器和D触发器。

  • RS触发器

    
    
    

  • D触发器

    
    

总结

本篇主要介绍了电学相关基础知识，对后续章节的理解会起到理论支撑的作用。如有需要，会继续补充内容至该篇中。