聊聊CPU中最基础的逻辑门

这是《CPU Logisim设计》的第二个章节。我最近一直在设计流水线为基础的RISC-V架构CPU，所以一直没有时间更新，我们这次抽空来聊聊CPU中最基础的逻辑门。

CPU大部分是由逻辑门构成的（话不能说太绝对），而逻辑门无外乎就是与门、或门、非门这三种。但在开始之前我们先要了解一下CPU中的数制。CPU不同于人脑，CPU采用的是二进制，也就是0和1，比如3这个十进制数等于二进制数11。那么为什么要采用二进制呢？道理很简单却也很复杂。简单来讲电路设计成二进制是更为方便的，因为0和1可以用电压有无来代替，其抗干扰性强；复杂来讲CPU使用二进制还涉及到布尔逻辑、历史遗留等一系列问题。传闻前苏联曾经研制出三进制的计算机，但最后因为性能不优良而被放弃了。所以其实非二进制也不是不可以。

讲完了数制，我们开始聊逻辑门。首先要注意一点，逻辑门是一种客观存在的电路结构，其物理微观实质比较复杂，我挖个坑……我们这里暂时只讨论宏观现象。

首先是与门（AND）。

左边这两条小短线（不一定就只有两条，可以大于等于两条）是输入，右边就是输出了。中间那个“半圆形”的就是标准的与门了。

与门的特点是：输入都是1时，输出才是1。图中亮绿色的是1，暗绿色是0，所以输出是0，没有问题。

再就是或门(OR)。

或门的特点是：输入但凡有个1，输出就是1。我特意找了个四个输入的或门，这四个输入都为0，所以很不幸输出是0。

然后是非门(NOT)。

非门就更简单了。其特点是：输出是输入的取反。就是说输入是1，输出是0；输入是0，输出就是1。另外，不同于以上两种逻辑门，非门只有一个输入。

最后，给你们看一个奇怪的东西。

像不像与门长了个瘤？这个其实是与门和非门的结合体，同理还有或门和非门的结合体。其中非门被简化成了一个圆，用于取反与门的下面一路的输入。因为非门的逻辑实在是太简单了却又太容易被用到，这种画法可以有效的节省画板空间。

此外还有异或门（XOR）、同或门（XNOR）等门电路，它们无不是从与、或、非三种逻辑门上组合而来。这种组合而来的电路又被称为组合逻辑电路。与之相对的概念是时序逻辑电路。

那么这些逻辑门能做什么呢？

且听下回分解。



审核编辑：刘清