门电路: 引言

你可能已经听说过了, 计算机芯片内部主要是由 晶体管(transistor) 构成的, 可到目前为止, 已经整出了一个半加器电路了, 可我们连一个晶体管的一根管毛也没有见着, 一直都是在跟继电器打交道.

这个问题要怎么说呢? 应该讲, 加法器可以有很多种实现:

• 用继电器可以实现;
• 用(电子)真空管也可以实现;
• 用晶体管也可以实现.

就好比你设计一个遥控器, 你可以选择:

• 红外线实现;
• 蓝牙实现;
• wifi 实现.

实际上都是可行的.

所谓的红外线, 蓝牙或者 wifi 也好, 这些只是具体实现方式或手段上的差别, 或者说技术路线方面的差别.

从功能层面上讲, 或者说从用户的角度看, 他只关心怎么去操作, 怎么调高调低音量, 怎么切换上一个或是下一个台, 至于这个是红外线还是蓝牙, 用户可能不是特别的关心.

加法器的实现也是同理. 当然了, 不同的技术实现方式对于制造商却是很重要的. 最终大家都选用晶体管去造芯片而不是继电器, 自然是有原因的, 比如晶体管更快, 更小, 功耗更低, 成本更低等等.

我们说用户不关心实现方式, 严格来说, 可能也不对. 假如一个遥控器蓝牙的卖 100元, 而红外线的只要 20 元, 那大家肯定选红外线的, 对吧.

当然, 这个选择背后的主要原因是成本, 而实现方式常常影响到成本, 进而"迫使"用户去关心实现方式.

那这里为何在一开始用继电器而不是晶体管, 其实也有成本的考虑, 这个成本就是用户的 认知成本.

总得来说, 继电器这种元器件更形象一点, 其原理也更容易理解, 在模拟器上甚至还能直观地看到它所控制开关的通断, 这对于我们理解整个电路的工作原理是有帮助的.

而相对来说, 晶体管的工作原理就不是那么直观, 但现在你了解了继电器, 通过一个功能上的对比, 你将很容易从功能上理解晶体管的行为, 至于它背后的原理, 你甚至不需要去理解都可以!

事实上, 原理层面你可以一层一层的追问下去, 比如, 对于继电器你依然可以追问, 那个线圈为什么通了电之后就能产生磁力呢? 对吧, 你可以一直问下去的, 甚至科学院的院士都能被你问倒.

但你真的需要知道那么底层的原理吗? 其实不需要, 很多时候你知道它能有什么用就行了.

举个医药方面的例子. 人们很早就发现 金鸡纳碱, 或金鸡纳霜, 又称 奎宁(quinine) 可以治疗疟疾, 但完整的阐述清楚它治疗疟疾的底层机制, 是在很多年之后.

这个最早是美洲的印第安人发现的.

在此之前, 人们虽然不知道它是怎么起作用的, 但发现它确实管用, 就一直在用它, 能治好病就好了, 其它的管不了那么多.

另一方面, 如果能知晓底层的原理, 哪怕知晓得不深也好, 则都是能够指导我们更好去实践的, 这点无须讳言.

基于这一点认识, 以及前面使用继电器打下的良好基础, 现在来阐述一下晶体管的原理, 并与继电器做一个对比. 但我们最终的目的却不是要转向晶体管的实现, 而是要脱离具体实现层面, 上升到 门电路(Gate) 这个更高一级的抽象层级上去.

门电路就像一层 抽象的屏障(abstract barrier), 隔离了底下具体实现方式上的差异, 使我们聚焦到它们的功能逻辑上来. 就像你操作遥控器时, 你只关心怎么去操作, 怎么调高调低音量, 怎么切换上一个或是下一个台, 至于这个是红外线还是蓝牙, 你不需要再去关心.