漫谈 计算机硬件 的 设计 和 实现

计算机硬件 的 基础 是 逻辑电路，

逻辑电路 可以说是 计算机硬件 的 基因 ， 或者说 细胞 。

 

而 逻辑电路 的 基本单元 是  “指令开关”，

可以说， 指令开关 是 智能硬件（数字电路） 的 基因， 或者说 细胞 。

 

我们来看看一个 指令开关 是怎么 设计 和 实现 的 ：

 

指令开关， 就是 在 输入端 输入 指令，  输出端 输出 控制信号 。

我们以 4 位指令 为例， 4 位指令 可以有  16 个 指令， 如：  0001 , 0010,  0011, 0100,  ……  1111 。

0000 表示 没有输入任何指令 的 状态  。

 

控制信号 就是 0 和 1  。

通常 0 表示 无电压， 被控制的电路 不接通，  1 表示 正电压， 被控制的电路 接通 。  被控制的电路接通就是 执行 相应的 指令 。

 

指令开关 由 门电路 组成， 门电路 是 逻辑电路 的 基本单元 。

我们来看看 “1001” 这个 指令的  指令开关 的 逻辑电路 设计图 ：

可以看到， 输入端有 4 个引脚，  输出端有 1 个引脚 ，

当 输入端 输入 “1001” 时，  输出端 输出  “1” ，  “1” 是 正电压， 所以此时会接通 1001 指令 对应的 执行电路， 也就是开始 执行 指令 。

当 输入端 输入 不是  “1001” 时， 输出端 输出  “0”  。

 

接下来说说 门电路 的 实现， 

门电路 就是 开关 串联 或者 并联 起来 。

开关 可以是 继电器， 电子管， 晶体管， 都可以 。

开关 在这里的 意思是  用电流控制电流， 或者说， 用信号控制信号 。

 

如果要实现 一个脉冲触发后长时间保持开关状态， 可以使用 双稳态电路 。

双稳态电路 通常 使用 晶体管 实现， 但是用 继电器 和 电子管 好像也可以实现 双稳态电路 。

 

我们来设计一个 交换机，

这里的 交换机 不是 现在的 网络交换机， 而是 早期的电话交换机 。

用 指令开关 模拟实现 一个 早期的 电话交换机 。

 

早期的 电话 接线是这样的， A 用户 要 拨打 B 用户， 先拨打到总机， 告诉 接线员 要拨打 B 用户， 接线员 将 A 用户 的通话线路 和 B 用户 的通话线路 插到同一组插口里， 这样， A 用户 就可以和 B 用户 通话了 。

我们现在可以用 指令开关 来实现这个  “接线”  的 功能， 或者说 建造电路通路 的 功能 。

 

我们先 设定 电话号码， 简单起见， 就用上面的 4位二进制 的 编码，  从 0001 到 1111 可以有 16 个电话号码，

每个电话号码 对应一个 指令开关，

每个 指令开关 控制 该号码 的 用户 的 通话线路， 

然后把 所有用户的 通话线路 连到一条 公共 的 导线 上， 

 

当 0001 拨打 1111 时， 就触发 0001 和 1111 这两个 指令开关 开， 接通 0001 和 1111 的 通话线路， 这样 0001 和 1111 就可以通话了 。 

当然这样 同一时间 只能有 一对用户 通话（一个通路） ，

如果要 同时 允许 多对用户 通话的话（多个通路），   需要 分时复用  。