【硬件科普】带你认识CPU第01期——什么是逻辑门
课堂复习：
硅原子的最外层有四个电子，两个硅原子（理想情况）之间会形成共价键，结构稳定且不易导电。通过掺杂磷元素来增加电子，掺杂硼元素增加空穴，可以使其导电性上升。在纯硅中的相邻区域分别掺杂磷和硼可以构成PN结，也是二极管只能正向导通的性质。
在纯硅中掺杂这样的结构，再加上电路，可以得到NMOS（用电压控制的开关）。
电路符号：
给G极加正向偏压，当电压高于阈值电压时，可以导通；低于阈值电压时不导通。
如果在掺杂时把N区和P区反过来，再把栅极的正负极换个方向，给G极施加反向电压，就可以得到一个PMOS。
电压高于阈值电压时不导通，低于阈值电压时导通，它和NMOS的性质完全相反。
为了理解，我们把高于阈值电压和低于阈值电压简称为高压和低压。
把NMOS和PMOS连接起来就可以得到一个CMOS。
一个CMOS就是一个最基础的逻辑门——非门。主要作用就是对输入数据取反。
非门的工作原理：
- VDD：整个电路的正极供电，高电位（相对于整个电路）
- VSS：构成回路的负极接地，低电位/0电位（相对于整个电路）
A输入高压时，PMOS不导通，NMOS导通。相当于Y接到了VSS上，输出相对低电压。
A输入低压时，PMOS导通，NMOS不导通，相当于Y接在了VDD上，输出相对高电压。
这时我们规定，相对高压是1，相对低压是0，那么A输入1，Y就输出0；A输入0，Y就输出1，这就是非门的原理。
（书记员的拓展知识：数学公式里“非”的逻辑表达式：F=Ā 编程语言里的“非”符号：! ）
除了非门之外，或门和与门也很常见。
或门：
或门有两个输入和一个输出，任意其一输入为1则输出1，两者都为0才输出0。
工作原理：
A、B同时为0，上面两个PMOS导通，下面两个NMOS不导通，此时中间的线相当于接在了VDD上，输出1。后面的结构是非门，对结果取反，因此输出0。
A输入1，B输入0，接在A上的PMOS不导通，NMOS导通，接在B上的PMOS导通，NMOS不导通，中间的线相当于接在了VSS上，输出0，再取反，得到1。
A输入0，B输入1，接在A上的PMOS导通，NMOS不导通，接在B上的PMOS不导通，NMOS导通，中间的线接在了VSS上，输出0，结果取反得1。
A、B都输入1，两个PMOS都不导通，两个NMOS都导通，中间的线相当于接在了VSS上，输出0，再取反得1。
如果把或门后面的非门去掉，便得到了或非门。相当于对或门的结果取反，任意一个输入端输入1，输出0；输入都为0时输出1。
与门：
作用：输入都为1时才输出1，任意输入端输入0就为0。浮梁卖茶人懒得展开讲了，现将所有可能的电路情况列出如下图所示：
如果把与门后面的非门去掉，就得到一个与非门，相当于对与门的结果取反，输入都为1时才输出0，任意输入0时都输出1。
除了上述三个逻辑门，还有两个更为复杂但是也很常见的逻辑门：同或门和异或门。
异或门：
异或门由或门、与门、与非门构成。简化后的电路图如下所示：
工作原理：
- A、B都输入0时，PMOS都导通，NMOS都不导通，相当于中间的线接在了VDD上，输出1。
最右面第二个PMOS不导通，第三个NMOS导通。Y相当于直接接在了VSS上，输出0。
- 当A输入1，B输入0时，连接A的PMOS全不通，NMOS全通。连接B的PMOS全通，NMOS全不通。中间的线相当于接在了VSS上，输出0。最右面第二个PMOS导通，第三个NMOS不导通，相当于Y接在VDD上，输出1。
- 当A输入0，B输入1，结果相同。
- 当AB都输入1，PMOS都不导通，NMOS都导通，中线接在VSS上，输出0。最右面第二个PMOS导通，第三个NMOS不导通，Y接在VSS上，输出0。
同或门
在异或门的后面再加上非门，对异或门的输出取反。
作用：输入相同时输出1，不同时输出0。
在实际设计电路时，通常会用传输门的方式来设计同或门、异或门。借助传输门实现的异或门电路只用了6个MOSFET就完成了相同的功能：
工作原理：
- A、B同时输入0时，连接A的两个PMOS导通，NMOS不导通。
连接B的PMOS导通，NMOS不导通。
此时最有名的线接在了VDD上，NMOS可以导通，相当于Y直连B，输出0。
- A输出1，B输入0，连A的PMOS不导通，NMOS导通，连B的PMOS导通，NMOS不导通，最右面的线接到了VSS上，NMOS不导通，Y连A，输出1。
- A输入0，B输入1，Y直连B，输出1。
- A、B同为1，Y直连VSS，输出0。
同或门：在Y的后面加非门
总结
本期的逻辑门介绍完毕，请记住表示符号和真值表。逻辑门是构成运算单元的最基本结构，一个异或门+一个与门=一个半加法器，可计算1位二进制的加法。2个异或门+2个与门+1个或门=全加法器。2个全加法器组合可计算2位二进制加法，4个全加法器组合可计算4位二进制加法。
