本篇文章來看看計(jì)算機(jī)在硬件層面究竟是怎么表示二進(jìn)制的，CPU究竟是怎么實(shí)現(xiàn)的？通過本文的學(xué)習(xí)，我們也可以反過來明白為什么計(jì)算機(jī)會采用二進(jìn)制了。

開關(guān)

我們在生活中，處處都是開關(guān)，比如控制燈的開關(guān)!

我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)很簡單的現(xiàn)象：

1. 串聯(lián)的開關(guān)，只有2個(gè)開關(guān)都閉合，燈泡才亮。這也就是布爾代數(shù)中"邏輯運(yùn)算與"
2. 并聯(lián)的開關(guān)，只要有1個(gè)開關(guān)閉合，燈泡就會亮。這也就是布爾代數(shù)中"邏輯運(yùn)算或"

我們以最簡單的2個(gè)數(shù)，0和1來舉個(gè)例子，寫出其布爾代數(shù)的真值表：

電報(bào)和繼電器

在人類信息傳遞發(fā)展的歷史上，長途信息傳遞一直是非常困難的時(shí)，當(dāng)時(shí)常見的方式有，比如人騎馬送信，訓(xùn)練信鴿、點(diǎn)燃烽火，但信息傳遞的效率都非常低效。直到電報(bào)的出現(xiàn)，電報(bào)思想的正式成形是在19世紀(jì)早期，它的讓人類傳遞信息的效率得到極大的提升。

電報(bào)利用電的特性來傳遞信息，早期設(shè)計(jì)復(fù)雜且不穩(wěn)定，傳遞的信息復(fù)雜度又比較低，1837年美國人摩爾斯通過電磁感應(yīng)改良了發(fā)報(bào)機(jī)，并發(fā)明了 摩爾斯電碼 。他將電報(bào)劃分為2種信號，短促的"點(diǎn)信號"和長一點(diǎn)的"劃信號", 將把“點(diǎn)”當(dāng)成“1”，把“劃”當(dāng)成“0”(這不就是二進(jìn)制嘛),并編寫了個(gè)“字典”將字母及數(shù)字編碼一一對應(yīng)，這樣就能傳遞復(fù)雜的信息，在未來產(chǎn)生了巨大影響力，意味著現(xiàn)代通信的開始。

由于早期的電報(bào)傳輸，需要鋪設(shè)電線，但是隨著電線越長，其電阻就越大，電信號常常傳輸過程中被消耗點(diǎn)，這樣接受方就無法接收到信息了。幸運(yùn)的是，工程師發(fā)明了 繼電器 ，其原理就是 接收微弱的信號，然后不斷地通過新的電源重新放大已經(jīng)開始衰減的原有信號，最后把它增強(qiáng)后發(fā)送出去 。

當(dāng)開關(guān)是打開的話，燈泡是不亮的；但當(dāng)開關(guān)是閉合的話， 電流流過圍繞在鐵棒上的線圈，會發(fā)生電磁效應(yīng)，鐵棒就具有了磁性，會將彈簧片吸下來，右邊電路就通了，燈泡就會亮了。這樣通過繼電器，一段段放大信號，電報(bào)就能長距離傳輸信息了。

雖然繼電器有放大信號的作用，但和開關(guān)一樣繼電器也可以串聯(lián)或并聯(lián)以執(zhí)行邏輯中的簡單任務(wù)，

繼電器比起普通的開關(guān)的優(yōu)勢在于繼電器無需直接被輸入者控制，可以被其他繼電器控制，這樣就可以組合完成更復(fù)雜的操作 。

比如我們可以通過繼電器實(shí)現(xiàn): 當(dāng)我們閉合開關(guān)時(shí)，燈泡關(guān)閉;當(dāng)我們打開開關(guān)時(shí)，燈泡去點(diǎn)亮這種燈泡的狀態(tài)和開關(guān)的閉合狀態(tài)相反的操作,普通開關(guān)是無法實(shí)現(xiàn)這種操作的。這些電路物理的表象下隱藏的邏輯關(guān)系，一直沒有被人發(fā)現(xiàn)。

直到1938年，克勞德·香農(nóng)在麻省理工學(xué)院所寫的碩士論文《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》中闡述了繼電器和開關(guān)電路中的符號分析之間的關(guān)系，他將開關(guān)、繼電器、二進(jìn)制、布爾代數(shù)聯(lián)系起來。也就是發(fā)現(xiàn) 人類可以通過開關(guān)和繼電器這些普通的電路，直接就能實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)各種邏輯運(yùn)算操作 。這些繼電器的組合被稱為 邏輯門 ，他們構(gòu)造基本的邏輯電路，也叫 門電路 。

門電路

上面是3種最最基本的門：

1. 與門，兩個(gè)開關(guān)只有同時(shí)打開，電流才會通過，燈泡才會亮
2. 非門，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí),電流會通過，燈泡會亮;開關(guān)打開，電流不能通過反而，燈泡熄滅
3. 或門，兩個(gè)開關(guān)中只要有一個(gè)打開電流就能通過，燈就會點(diǎn)亮

這些門其實(shí)就是一個(gè)個(gè)"開關(guān)"的抽象, 以后我們需要的各種復(fù)雜的邏輯都可以通過這3個(gè)門來實(shí)現(xiàn)，真的是非常奇妙 我們再來看一個(gè)常見的門：異或門XOR