晶体管到门电路

二极管的工作

相信大家都知道二极管的工作特性，那如何使用二极管去构建一个门电路呢？

二极管的与门：上拉电阻，只有AB同时为高电平，输出为高电平

二极管的或门：下拉电阻，只要AB任一一个为高电平，输出为高电平

MOS管的工作

        在高频处理时，我们一般使用的是MOS管而不是三极管。那为什么要使用MOS管呢？使用MOS管可以达到更高的开关频率以及更低的功耗。但是MOS管的成本也相对更高。

以下是使用MOS管构建门电路：

MOS管的与门电路 

MOS管的或门电路

MOS管的非门电路

门电路到运算单元

加法器的实现

半加器

二进制数相加，结果为取“异或门（两个值不相同才为1）”，进位取“与门” 

全加器

当要接收进位时，需要两个半加器实现

 脉动进位加法器与超前进位加法器

         如果使用全加器来实现二进制的加法的话，那实现的结果为右图的脉动进位加法器，它的特点是由四个全加器来实现，设计比较简单，但是要运算四位二进制数时，需要四个周期才能完成运算。而超前进位加法器设计比较复杂，但它能在一个周期就能完成四位二进制数的计算。这种设计思路其实可以让我们明白，为什么FPGA的主频低，但是它还是能给我们通用计算器加速。当我们算法比较复杂时，可能通用计算单元要好几十个周期完成的工作，而FPGA可以通过设计在一个周期内完成。

乘法器

乘法器可以通过多个加法器来实现：

控制单元的构成

程控思想

        在上一节，我们已经掌握了通过晶体管来实现两种计算方式：加法与乘法。意味着我们已经有了一个计算器。那如何从一个计算器变为一个计算机呢？这里就需要我们能够掌握程控思想了。例如我们要计算(3+1)×3时，那么我们会分解为加法和乘法两个步骤。然后人通过操作计算器上的按钮完成该运算。最后得出结果为12。那么要让计算机完成该计算，首先要构建一个控制单元。而我们希望通过该控制单元完成该内容的计算。

选择器

         相信对计算机比较感兴趣的，对”指令集“不会很陌生，甚至还能立马想起：X86指令集、ARM指令集等。那到底什么是指令集呢？在这里我们可以简单的理解为，指令集是对电路的选择，例如我们的乘法电路、加法电路同时对我们寄存器里面的数进行了运算，那我们该选择哪个电路的输出，我们便可以通过选择器来实现。

 晶振

        晶振是给系统提供基本的时钟信号的。没有晶振的电路就是一个静止的电路，就像时间被冻结了，并不会进行运算。因此我们也可以将其理解为时间信号。

指令定义

        有了计算单元以及控制单元，那我们可以明白指令及数据的区别了，指令代码是给控制单元进行控制的，数据是给运算器进行计算的。接下来我设计一个简单的哈佛结构的CPU，为了让控制单元能够进行加乘的计算，定义了以下三个指令：

§0100，将数据写入寄存器

§0001，将数据与寄存器相加，结果保存到寄存器

§0010，将数据与寄存器相乘

        我们可以分析，指令的第一位（从右到左）表示加法电路，指令的第二位表示乘法电路，指令的第三位表示寄存器写入操作，指令的第四位无作用。

电路设计

        C1到C4表示控制指令，D1到D4表示数据指令。根据分析，C1和C2用于加法和乘法输出结果的选择。C3表示寄存器的数据是由外部输入还是由运算器输出。用开关表示晶振。

 汇编语言

将前面的程序整理一下成为： 010000110001000100100011

这么多零和一可比密码还复杂，相信大家还没来得及将它输入到电脑里，都已经能够口算完了。

哪有什么办法可以改进一下这个程序呢？

MOV 3 ；寄存器存入3

ADD 1 ；寄存器的数字加1

MUL 3 ；乘3

总结

        对于汇编语言来说，每个指令与芯片一一对应，直接指挥CPU进行工作，但是对于人来说还是晦涩了许多。同时不同公司设计的芯片不相同，我们在一款芯片上开发的程序到了另一款芯片上可能就无法运行。因此出现了高级语言。通常有C++，Java，Python。那么这三种语言有什么区别呢？

        在前面的介绍中，我们知道指令集这种东西，常见的指令集有X86和ARM指令集。

        C++作为典型的编译型语言，我们可以将其编译为不同的平台，但是对应的X86程序和ARM程序是无法相互兼容运行的。这也是源码的重要性。

        Java同样是编译型语言，但是Java编译出来的程序是自己定义的字节码指令。那么在X86和ARM上实现对这些字节码的虚拟机，就能运行Java程序了。随着java越来越重要。很多芯片从硬件上实现了java虚拟机 。例如诺基亚的塞班系统和我们熟知的安卓系统，便是在arm上运行的java程序，arm芯片带java硬件解析。

        那同样是定义自己的字节码的Python和Java又有什么区别呢？Python作为一个解释型语言，虚拟机自带解释器，在运行的时候，不断读取字符串，然后通过解释器完成。