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CPU的产生及内部晶体管的工作原理

2020-12-11 14:33
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CPU即中央处理器(Central Processing Unit),它作为计算机系统的运算和控制核心,是信息处理、程序运行的最终执行单元。CPU 自产生以来,在逻辑结构、运行效率以及功能外延上取得了巨大发展。

CPU是如何生产出来的?

CPU是在特别纯净的硅材料上制造的。一个CPU芯片包含上百万个精巧的晶体管。人们在一块指甲盖大小的硅片上,用化学的方法蚀刻或光刻出晶体管。可以说CPU是由晶体管组合而成的。简单而言,晶体管就是微型电子开关,它们是构建CPU的基石,你可以把一个晶体管当作一个电灯开关,它们有个操作位,分别代表两种状态:ON(开)和OFF(关)。这一开一关就相当于晶体管的连通与断开,而这两种状态正好与二进制中的基础状态“0”和“1”对应!这样,计算机就具备了处理信息的能力。

在晶体管之前,计算机依靠速度缓慢、低效率的真空电子管和机械开关来处理信息。后来,科研人员把两个晶体管放置到一个硅晶体中,这样便创作出第一个集成电路,再后来才有了微处理器。一块CPU等同于一个微型电路板,上面有很多元件各司其职、并协同协作处理每一个电信号。

那么晶体管的工作原理又是什么呢?

上文中我们提到,晶体管是利用“0”和“1”这两种电子信号来执行指令和处理数据的。其实,所有电子设备都有自己的电路和开关,电子在电路中流动或断开,完全由开关来控制,如果你将开关设置为OFF,电子将停止流动,如果你再将其设置为ON,电子又会继续流动。晶体管的这种ON与OFF的切换只由电子信号控制,我们可以将晶体管称之为二进制设备。这样,晶体管的ON状态用“1”来表示,而OFF状态则用“0”来表示,就可以组成最简单的二进制数。

众多晶体管产生的多个“1”与“0”的特殊次序和模式能代表不同的情况,将其定义为字母、数字、颜色和图形。举个例子,十进位中的1在二进位模式时也是“1”,2在二进位模式时是“10”,3是“11”,4是“100”,5是“101”,6是“110”等等,依此类推,这就组成了计算机工作采用的二进制语言和数据。成组的晶体管联合起来可以存储数值,也可以进行逻辑运算和数字运算。加上石英时钟的控制,晶体管组就像一部复杂的机器那样同步地执行它们的功能。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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