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重学计算机组成原理(十一)- 门电路的"千里传音"

人用纸和笔来做运算,都是用十进制,直接用十进制和我们最熟悉的符号不是最简单么?

为什么计算机里我们最终要选择二进制呢?

来看看,计算机在硬件层面究竟是怎么表示二进制的,你就会明白,为什么计算机会选择二进制。

1 怎么做到“千里传书”

马拉松的故事相信你听说过。公元前490年,在雅典附近的马拉松海边,发生了波斯和希腊之间的希波战争。雅典和斯巴达领导的希腊联军胜利之后,雅典飞毛腿菲迪皮德斯跑了历史上第一个马拉松,回雅典报喜。这个时候,人们在远距离报信的时候,采用的是派人跑腿,传口信或者送信的方式。

但是,这样靠人传口信或者送信的方式,实在是太慢了

在军事用途中,信息能否更早更准确地传递出去经常是事关成败的大事

所以我们看到中国古代的军队有“击鼓进军”和“鸣金收兵”,通过打鼓和敲钲发出不同的声音,来传递军队的号令。

如果我们把军队当成一台计算机,那“金”和“鼓”就是这台计算机的“1”和“0”

我们可以通过不同的编码方式,来指挥这支军队前进、后退、转向、追击等等。

“金”和“鼓”比起跑腿传口信,固然效率更高了,但是能够传递的范围还是非常有限,超出个几公里恐怕就听不见了。于是,人们发明了更多能够往更远距离传信的方式,比如海上的灯塔、长城上的烽火台。因为光速比声速更快,传的距离也可以更远。

  • 亚历山大港外的法罗斯灯塔,位列世界七大奇迹之一,可惜现在只剩下遗迹了。可见人类社会很早就学会使用类似二进制信号的方式来传输信息

    但是,这些传递信息的方式都面临一个问题,就是受限于只有“1”和“0”这两种信号,不能传递太复杂的信息,那电报的发明就解决了这个问题。

从信息编码的角度来说,金、鼓、灯塔、烽火台类似电报的二进制编码

电报传输的信号有两种,一种是短促的点信号(dot信号),一种是长一点的划信号(dash信号)

我们把“点”当成“1”,把“划”当成“0”。这样一来,我们的电报信号就是另一种特殊的二进制编码了

电影里最常见的电报信号是“SOS”,这个信号表示出来就是 “点点点划划划点点点”。

比起灯塔和烽火台这样的设备,电报信号有两个明显的优势

  • 信号的传输距离迅速增加
    电报本质上是通过电信号来进行传播的,所以从输入信号到输出信号基本上没有延时
  • 输入信号的速度加快了很多
    电报机只有一个按钮,按下就是输入信号,按的时间短一点,就是发出了一个“点”信号
    按的时间长一些,就是一个“划”信号
    一个手指,就能快速发送电报。
  • 一个摩尔斯电码的电报机

制造一台电报机也非常容易

电报机本质上就是一个“蜂鸣器+长长的电线+按钮开关”

蜂鸣器装在接收方手里,开关留在发送方手里。双方用长长的电线连在一起。当按钮开关按下的时候,电线的电路接通了,蜂鸣器就会响。短促地按下,就是一个短促的点信号;按的时间稍微长一些,就是一个稍长的划信号。

有了电池开关和铃铛,你就有了最简单的摩尔斯电码发报机

2 理解继电器,给跑不动的信号+1s

有了电报机,只要铺设好电报线路,就可以传输我们需要的讯息了

但是这里面又出现了一个新的挑战,就是随着电线的线路越长,电线的电阻就越大

当电阻很大,而电压不够的时候,即使你按下开关,蜂鸣器也不会响。

你可能要说了,我们可以提高电压或者用更粗的电线,使得电阻更小,这样就可以让整个线路铺得更长一些

但是这个再长,也没办法从北京铺设到上海吧

要想从北京把电报发到上海,我们还得想些别的办法。

对于电报来说,电线太长了,使得线路接通也没有办法让蜂鸣器响起来

那么,我们就不要一次铺太长的线路,而把一小段距离当成一个线路,也和驿站建立一个小电报站。我们在小电报站里面安排一个电报员,他听到上一个小电报站发来的信息,然后原样输入,发到下一个电报站去

这样,我们的信号就可以一段段传输下去,而不会因为距离太长,导致电阻太大,没有办法成功传输信号。为了能够实现这样接力传输信号,在电路里面,工程师们造了一个叫作继电器(Relay) 的设备。

  • 中继,其实就是不断地通过新的电源重新放大已经开始衰减的原有信号

事实上,这个过程中,我们需要在每一阶段原样传输信号,是不是可以设计一个设备来代替这个电报员?

相比使用人工听蜂鸣器的声音,来重复输入信号,利用电磁效应和磁铁,来实现这个事情会更容易。

我们把原先用来输出声音的蜂鸣器,换成一段环形的螺旋线圈,让电路封闭通上电。因为电磁效应,这段螺旋线圈会产生一个带有磁性的电磁场。我们原本需要输入的按钮开关,就可以用一块磁力稍弱的磁铁把它设在“关”的状态。这样,按下上一个电报站的开关,螺旋线圈通电产生了磁场之后,磁力就会把开关“吸”下来,接通到下一个电报站的电路。

如果我们在中间所有小电报站都用这个“螺旋线圈+磁性开关”的方式,来替代蜂鸣器和普通开关,而只在电报的始发和终点用普通的开关和蜂鸣器,我们就有了一个拆成一段一段的电报线路,接力传输电报信号。这样,我们就不需要中间安排人力来听打电报内容,也不需要解决因为线缆太长导致的电阻太大或者电压不足的问题了。我们只要在终点站安排电报员,听写最终的电报内容就可以了。这样是不是比之前更省事了?

事实上,继电器还有一个名字就叫作电驿,这个“驿”就是驿站的驿,可以说非常形象了

这个接力的策略不仅可以用在电报中,在通信类的科技产品中其实都可以用到。

比如说,你在家里用WiFi,如果你的屋子比较大,可能某些房间的信号就不好。你可以选用支持“中继”的WiFi路由器,在信号衰减的地方,增加一个WiFi设备,接收原来的WiFi信号,再重新从当前节点传输出去。这种中继对应的英文名词和继电器是一样的,也叫Relay。

再比如说,我们现在互联网使用的光缆,是用光信号来传输数据。随着距离的增长、反射次数的增加,信号也会有所衰减,我们同样要每隔一段距离,来增加一个用来重新放大信号的中继。

有了继电器之后,我们不仅有了一个能够接力传输信号的方式,更重要的是,和输入端通过开关的“开”和“关”来表示“1”和“0”一样,我们在输出端也能表示“1”和“0”了。

输出端的作用,不仅仅是通过一个蜂鸣器或者灯泡,提供一个供人观察的输出信号,通过“螺旋线圈 + 磁性开关”,使得我们有“开”和“关”这两种状态,这个“开”和“关”表示的“1”和“0”,还可以作为后续线路的输入信号,让我们开始可以通过最简单的电路,来组合形成我们需要的逻辑。

通过这些线圈和开关,我们也可以很容易地创建出 “与(AND)”“或(OR)”“非(NOT)”这样的逻辑。我们在输入端的电路上,提供串联的两个开关,只有两个开关都打开,电路才接通,输出的开关也才能接通,这其实就是模拟了计算机里面的“与”操作。

我们在输入端的电路,提供两条独立的线路到输出端,两条线路上各有一个开关,那么任何一个开关打开了,到输出端的电路都是接通的,这其实就是模拟了计算机中的“或”操作。

当我们把输出端的“螺旋线圈+磁性开关”的组合,从默认关掉,只有通电有了磁场之后打开,换成默认是打开通电的,只有通电之后才关闭,我们就得到了一个计算机中的“非”操作。输出端开和关正好和输入端相反。这个在数字电路中,也叫作反向器(Inverter)

反向器的电路,其实就是开关从默认关闭变成默认开启而已

与、或、非的电路都非常简单,要想做稍微复杂一点的工作,我们需要很多电路的组合。不过,这也彰显了现代计算机体系中一个重要的思想,就是通过分层和组合,逐步搭建起更加强大的功能。

回到我们前面看的电报机原型,虽然一个按钮开关的电报机很“容易”操作,但是却不“方便”操作。因为电报员要熟记每一个字母对应的摩尔斯电码,并且需要快速按键来进行输入。一旦输错很难纠正。但是,因为电路之间可以通过与、或、非组合完成更复杂的功能,我们完全可以设计一个和打字机一样的电报机,每按下一个字母按钮,就会接通一部分电路,然后把这个字母的摩尔斯电码输出出去。

虽然在电报机时代,我们没有这么做,但是在计算机时代,我们其实就是这样做的。我们不再是给计算机“0”和“1”,而是通过千万个晶体管组合在一起,最终使得我们可以用“高级语言”,指挥计算机去干什么。

3 总结延伸

可以说,电报是现代计算机的一个最简单的原型。它和我们现在使用的现代计算机有很多相似之处。我们通过电路的“开”和“关”,来表示“1”和“0”。就像晶体管在不同的情况下,表现为导电的“1”和绝缘的“0”的状态。

我们通过电报机这个设备,看到了如何通过“螺旋线圈+开关”,来构造基本的逻辑电路,我们也叫门电路

  • 一方面,我们可以通过继电器或者中继,进行长距离的信号传输
  • 另一方面,我们也可以通过设置不同的线路和开关状态,实现更多不同的信号表示和处理方式,这些线路的连接方式其实就是我们在数字电路中所说的门电路。而这些门电路,也是我们创建CPU和内存的基本逻辑单元。我们的各种对于计算机二进制的“0”和“1”的操作,其实就是来自于门电路,叫作组合逻辑电路。

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《编码:隐匿在计算机软硬件背后的语言》第6~11章,是一个很好的入门材料,可以帮助深入理解数字电路,值得你花时间好好读一读

posted @ 2019-08-18 22:34 JavaEdge 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏