第27章 运算器原理

　　叶枫解释道：“那叫中间电平，识别状态不定，可能是高电平，也可能是低电平。所以在实际应用中一般会尽量避免这种情况发生。举个例子就是以前使用的网线的长度问题，一般网线使用距离不超过100米。因为线路越长，就要用越大的电压等级来输电。网线通电电压很低，网线过长就会导致信号减弱，一般在中间要增加中继设备增强信号。”

　　 王猛说道：“哥，跑题了，咱讲计算机加法计算呢。”

　　 叶枫白了一眼王猛道：“还不是你问的？”

　　 王猛笑着道：“那你也不用讲那么多不是？来继续讲计算机，我就想知道这玩意能不能用人代替。”

　　 叶枫无奈的继续说道：“计算机计算通过与或非门，包括组合方式的与非门、或非门和异或门。与门和或门都是三极管，两个输入一个输出，非门是二极管一个输入一个输出。与门在逻辑上就是，当所有的输入同时为高电平1时，输出才为高电平1，否则输出为低电平0。”

　　 “电路设计就是一个三极管和一个限流电阻，限流电阻就是为了避免过大的电流烧毁用电器，而串联的保护性电阻。原理就是通过提高负载的总电阻而减少电流。简单说就是一个保护装置，有高电平通过时候就会阻断，输出就为低电平。电路原理就是如果第一个输入是低电平，那么限流电阻不会受到影响，另一个输入是低电平那么输出就是低电平。”

　　 “如果另一个输入是高电平那么就会被限流电阻阻断，所以输出还是低电平。如果第一个一个输入是高电平，限流电阻就会阻断，另一个输入是低电平，那么输出就是低电平，输入是高电平那么输出就是高电平。”

　　 叶枫看了看一脸疑惑的王猛，无奈的说道：“简单说与门就是串联电路，两个开关都打开就通电，结果就是高电平。或门就是并联电路，只要有一个是高电平结果就是高电平。”

　　 王猛恍然大悟的说道：“你早这么说我不就懂了？前面什么主流非主流的太啰嗦，你这讲解水平有待提高。以后给别人讲什么就按后面这种方式来，简单易懂，不废话，不啰嗦。”

　　 叶枫皱了皱眉，白了一眼王猛继续讲道：“那我只解释用途，不讲具体实现方式。低电平表示0，高电平表示1。与门就是两个输入全1时，输出结果就是1，有一个是0，输出结果就全是0。”

　　 “或门就是两个输入全是0，那么输出结果就是0，有一个是1，输出结果就是1。非门一个输入是1，结果就是0，输入是0，结果就是1。与非门就是先与再非，两个输入全是1，输出结果就是0，两个输入有一个是0，结果就全是1。”

　　 “或非门就是先或再非，两个输入全是0，输出结果就是1，两个输入有一个是1，结果就全是0。异或门由一级或非门和一级与或非门组成，两个输入相同电平，则输出就是0，两个输入电平不同时，输出结果就是1。”

　　 王猛觉得有点难记，拿出手机记录着叶枫说的内容。

　　 叶枫看他记录完继续说道：“我们计算用的是十进制，但计算机用电只能表示两个值，即0和1。我们进位是个十百千万，计算机进位是2、4、8、16，即2的几次方来进位。比如计算加法，计算机需要用到两个异或门和三个与非门。”

　　 “输入有输入甲，和输入乙，和进位丙。举个简单例子，我们计算一个1加1，我们要考虑这两数字加完后本位写什么，和是否进位，以及第一级是否有进位。”

　　 “本位计算是将两个输入信号输入异或门，刚刚讲过相同即为0，那么这个值再与进位输入到另一个异或门，这里算1加1，没有低一级的计算，所以进位输入为0，刚刚的结果是0和这个进位0输入道异或门结果还是0，那么右边第一位数字为0。相当于我们个位为0。”

　　 “接下来判断是否进位，将1加1输入到与非门输出结果为0，有人可能会觉得这里应该用非门，这样会造成一个错误比如三个输入都为1的时候结果就错了。”

　　 “这个结果0先放一边，我们再用输入甲和乙通过异或门后的输出结果0，和进位丙的0输入到与非门，得到输出结果1，再将结果1与之前放一边的输出结果0一同输入到一个与非门，那么结果就是1，所以下一位的进位项丁就是1，下一位的两个输入戊和己都是0。”

　　 “再次进行刚才的计算，戊和己输入到异或门，输出就是0，与进位丁输入到异或门结果就是1，所以有数第二位写数字1。”

　　 “这时其实结果已经有了就二进制10表示的是十进制数字2，但计算机会继续接下来的计算，戊和己输入达到与非门结果是1，输出结果1同样先放一边，戊和己输入到异或门输出的结果0和进位丁的1放入与非门得到结果1，与之前放在一边的结果1一起输入到与非门得到结果0。”

　　 王猛一脸惊讶的看着叶枫道：“算了这么久就算一个1加1等于2？这要是算个三位数的加减法就要几万人吧。”

　　 叶枫微笑着道：“三位数的加法够干啥的？天文学上用到的数据都是亿为单位的。你算算需要几亿人能算？”

　　 王猛尴尬的问道：“那几千万人肯定算不了这个数吧？”

　　 叶枫道：“可能你教几千人几年数学，再让他们帮你算，都要比你这快得多。几万人掰手指算都比你快。如果是我，我就做一些机械计算器来算，或者做一些算盘出来也比这种方式要快得多，因为十进制比起二进制有太大的优势。”

　　 “计算机运算跟不上需求速度就是因为这种计算方式。这好比一个小孩只会个位为单位的计算，十以内的对他来说很容易。但让他计算一万加一万的时候，他的计算过程是两万根手指有多少个十，他是通过一个一个数出来的，他的认知一万是十个十个十个十。如果我们教会他万为单位，那么他的计算速度就是伸出两根手指，两万。”叶枫同时伸出两根手指，

　　 “所以要提高计算机的运算速度是优化算法，这是一个数学问题。总线的传输速度只影响计算器运算器之间的数据交换，有瓶颈的时候会影响运算速度，但没有瓶颈的时候在宽的总线带宽也无济于事。这好比你就十吨货物，你有两辆可以拉五吨货物的卡车，如果路只有一车道，那么是瓶颈，如果是双车道的路就刚刚好，三车道的路没有任何意义，哪怕是一百车道但你货物和同时发出的车就两辆，都是没有任何意义的。”

　　 王猛点了点头道：“那么说你发明的光总线计算机没啥用了？”