CS110 计算机体系结构 6 数字电路与系统

从这一章开始，我们来聊聊计算机的硬件部分——数字电路与系统。相对于前面讲 RISC-V 时按照 C.A.L.L 的顺序自上而下，这里我们自下而上，从最基础的元器件开始说。

---

NMOS & PMOS

简单放一张图，这里左边的是 NMOS 管，右边是 PMOS 管。这里，“MOS”指的是金属氧化物半导体 Metal-Oxide-Semiconductor，N 指的是 negative，也就是带负电的载流子，P 则是 positive。由于种种物化原理（我也不懂），总之 NMOS 管在栅极（“Gate”）（相对于源极（“Source”））低电平时高阻抗（近似不导通），PMOS 管在栅极（相对于漏极（“Drain”））低电平时低阻抗（近似导通）。又由于“低电平”可以低到是绝对的 0（接地），而“高电平”却有一个物理上限，而 MOS 管本身的电阻会产生压降，因此二者都只在低电平时准确传递信号，高电平时信号传递存在误差。（这只是一个大概的解释，如果读者有兴趣继续钻研，可以参考相关百科）一言以蔽之，NMOS 低电平不导通，PMOS 管低电平导通；二者高电平时状态近似相反，但都存在误差。

因此，我们希望把二者稳定的部分结合起来，形成一个互补的系统——这就是 CMOS 管：Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 互补金属氧化物半导体。注意，这里的 CMOS 管不是一种电路的名称，而是互补地使用 NMOS、PMOS 管搭建电路的方法以及电路本身的模式。总之，我们所熟知的与或非门电路就可以用 CMOS 管实现。以下是它们的实现电路：

非门

与门

如果需要实现 3 输入与门，可以多并联一个 PMOS 管，多串联一个 NMOS 管

或门

如果需要实现 3 输入或门，可以多串联一个 PMOS 管，多并联一个 NMOS 管

---

组合电路

我们把输出仅取决于输入的电路称为组合电路。这种电路一般用无反馈的逻辑门构建。简单地说，就是把与或非门一通排列组合，接出来不带短路循环的电路就是组合电路。在画电路图时，几种门用如下符号表示：

之前的布尔逻辑运算（在本课程第一章）讲过最小项之和，在此不再赘述。总之，这里需要读者熟练掌握布尔表达式与电路图通过最小项之和的方法互相转化，不熟练的读者请自行练习，还不会的读者请回到第一章复习。

---

回到目录