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教程 自制CPU教程0x00

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附录中的第一个文件是模拟软件,将第二个文件拖入第一个文件打开即可使用。
最开始的寄存器是error是因为一切基于门电路,所以没有初始化。
初始化步骤是先打开main和时钟
然后将内存读使能和寄存器1/2写使能设置为1
然后遍历两个寄存器地址,从000-111,每次改变后等待一个完整的时钟周期。
就完成了初始化



目录

第一章 半导体. 1

第二章 二极管. 1

第三章 MOS管. 2

第四章 逻辑门. 3





第一章 半导体​

半导体是一种常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

下面我们以硅半导体为例讲解。

这是硅原子的模型,第一圈2个电子,第二圈8个电子,外圈4个电子,所以较为稳定,通常情况下是不导电的。



如果我们想制作会进行加入杂质。一般这里的杂质是硼和磷。



硼的第二圈只有三个电子,所以并不稳定。而且因为它需要一个电子组成稳定态,所以我们称为空穴。而磷的第三圈有九个电子,也不稳定。并且因为它比稳定态多一个电子,所以我们称为多子。因为电子带负电,所以我们称参入了硼的半导体为P(positive)型半导体称参入了磷的半导体为N(negative)型半导体。

第二章 二极管​

我们把P型半导体和N型半导体拼在一起就形成了我们遇见的第一种结构——二极管。



N型半导体的多子会扩散入P区的空穴,并且多子只能从N型半导体移动到P型半导体,不能反向运动。如果我们想要让电子一直在电路内流动的话就需要让进入P型半导体的电子重新回到N型半导体内部而直接从中界线跨过是不显示的,所以我们需要一个电路,能够吸收P型半导体的电子和向N型半导体给予电子,所以我们可以将P型半导体接入电池的正极,N型半导体接入电池的负极。因为这样电池在正极吸收电子,在负极给与电子,所以电子会持续不断的从N型半导体流向P型半导体。这就是二极管的原理,二极管的效果就是电流只能从阳极(p型半导体)流向阴极(N型半导体),而如果反向会被N型半导体的多子截止。

第三章 MOS管​

本文不考虑耗尽型MOS管

MOS,是MOSFET的缩写。MOSFET金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)。MOS管分为N型和P型。

结构和符号(以N型MOS管为例)在一块浓度较低的P型硅上扩散两个浓度较高的N型区作为漏极和源极,半导体表面覆盖二氧化硅绝缘层并引出一个电极作为栅极。



当我们给G极通上0伏电压时,和二极管一样在P型半导体没有通入高电压时,电子无法从N型去往P型半导体,所以D极和S极不导通。当我们给G极通入足够大的电压时,P型半导体内少量的自由电子会被吸到两个N型半导体之间。所以相当于S极和D极之间有一整块N型半导体,他是导电的,所以整个MOS管相当于D极和S极之间是一根导线。N型MOS管其实很像开关,只不过不是由人来按下这个开关,而是电压按下的。当G极有足够的电压时,S极D极导通。当G没有足够电压时,S极D极断开。而P型MOS管正好相反,在结构上也是和N型MOS管相反的,N型MOS管中的N型半导体和P型半导体互换就形成了一个P型MOS管。当G极有足够大的电压时S极和D极断开,当G极没有足够电压时S极和D极导通。

第四章 逻辑门​

通常我们将低于某一特定电压定义为0或者假(False),也就是低电压的状态。我们将高于某一特定电压定义为1或者真(True),也就是高电压状态。这样我们就可以进行计算了。



我们一般使用的所有逻辑都可以通过三种基础逻辑来表示,与(and)、或(or)、非(not)。

比如:

与:(当n= 1时命题成立)且(假设n=m时命题成立,可以推导出在n=m+1时命题也成立)那么命题对于所有正整数都成立。

这一句话中N=1时成立和N=M+1时成立都是必要条件,必须两个都成立最后的结果才能成立。

或:或者

非:不要

由这三种基础逻辑可以组成几乎所有的逻辑。在设计集成芯片中我们一般会使用逻辑门来表示逻辑。下图分别是与门(And Gate)、或门(Or Gate)、非门(Not Gate)、异或门(Xor Gate)、与非门(Not And Gate,Nand Gate)、或非门(Not Or Gate,Nor Gate)和同或门(Not Xor Gate,Xnor Gate)。







这几种门电路中,也分为四种基础的门电路,分别是与门、或门、非门和异或门。与非门、或非门和同或门仅仅只是在相应门电路后面再加上一个非门。这四种门的表示方法如下:

与门:

或门:

非门:

异或门:

下面是这几种门电路输入输出关系表

与门

AB
000
010
100
111
或门

AB
000
011
101
111
异或门

AB
000
011
101
110
非门

A
01
10






 

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