计算机中的一些基本概念（速度，比特，门，电路图）

        人很伟大，创造了很多的概念，或者工具来帮助人类更高效的工作，或者更加美好的生活。计算机的组成部件都是一些实体可见的硬件，为了让使用他们的人快速的了解它，以及描述它们的工作原理，需要提前达成一些共识，即定义一些概念。这些概念可以说是计算机里的血液。

计算机的速度

【计算机的速度和电的传输速度有关】

        我们打开计算机，用它做一些事情时候，往往点击一下鼠标，就可以得到计算机的反馈，看起来仿佛是一瞬间做到的，利用计算机还能做很多复杂的事情。实际上，计算机被设计用来做一些特定很简单的任务，并且这些任务做起来非常快，一个接着一个，计算机以什么样的次序做着什么事情要取决于在当前时刻它要完成什么样的任务，但是计算机所做的都是在它有限的能力范围内的事情。

        所以计算机的秘密不是它们有多复杂，而是因为它们的速度足够快，计算机的速度到底有多快呢？

        毫无疑问，计算机的工作是基于电，它们的速度自然和电的速度有关系。你可能还记得光的速度是每秒30万千米，这真快呀！光一秒钟可以绕地球7圈，或者1.5s就可以从地球到达月球。在物理学家看来，电和光有着很多共同的属性。当电在导线中移动时，它的速度大概是光的一半。即使如此，这个速度也能一秒钟绕地球三圈半，已经非常快了。

        想象一下，在一个炎热的下午，你正在用电风扇一顿狂吹，电风扇转的很快，扇叶都已经看不清了，但实际上它每秒钟差不多转40圈，扇叶边缘上的一点的线速度大概是每秒150英尺，需要35秒才能移动1英里（1英里=5280英尺）。因为英尺转的都模糊了，所以不太好想象当它的速度提升10倍时是什么样子。如果电扇真的转到了这么快，它可能会扇很大的风。如果你能够让它加速到原来的100倍快，它可能马上就解体了，扇叶飞出来，直窜天花板了。但是电1秒钟能够在相同的圆圈里转一亿次，是扇叶速度的250万倍。就是这么快！

        一亿是什么概念呢？如果拿一张40英寸乘40英寸的纸上画点，每英寸画25个点，那么这张纸可以画一百万个点，要得到一亿个点，需要1000个人每人画一张这种纸。现在如果我们用在计算机中移动的电来完成这种简单且枯燥的任务。计算机一秒可以做5亿次这种简单的事情。电扇要转7个小时才能转一百万次，它要花整整6个月才能转5亿次，没有比较就没有伤害！

        当我们谈论电在计算机内各个部件间移动的速度时，有些部件间有1英尺长，有些更近，一英寸，十分之一英寸。在这些部件内部有更多的部件，它们间隔的更近，有些就千分之一英寸那么长。电需要移动的距离越短，它的用时就越少。

        精确地说电脑一秒钟能做多少事情并没有意义，因为我们需要计算机做的事情总在不断的变化。计算机厂商在不停地在生产新电脑，每过两三年新电脑的速度就能提升2倍。计算机的速度是有理论极限的，但是工程师们一直在探索可行的方式来绕开理论，并使它越来越快。

比特（bit）

【电脑里只有一种东西：比特】

        电脑里有什么？它可以显示图片，视频，音乐，文字等，计算机里面是否存在某个位置有这些实体事物呢？并没有，如果你拿显微镜去看，你在计算机里任何地方找不到一个“A”，“B”或者图片。

        计算机里只有一个东西，并且大量存在这个东西，那就是比特（bit）。比特是一个理解上的概念，它有这样的属性：在任一时间点它处于两种可能的状态之一，而且可能在这两种状态间来回切换。你向空中抛一个硬币，落在地板上的要么是正面朝上，要么是反面朝上；卧室的等要么是关着，要么是开着的。这两种事物都可以用比特的概念来描述它们的状态。然而，能用比特来表示的事物只能有两种状态，要么“yes”，要么“no”。有太多状态的事物不能称为比特，如一块黏土，可以被雕塑成一个球，立方体，圆环，所以黏土的状态不能用比特表示。

        电脑中的比特是指某个地方是否有电，用“1”，“0”来表示有电，没电。计算机中存在大量这样的比特，并以各种各样的方式排列和连接，但是比特在电脑中是不可见的。

        比特永远都是处于两种状态之一，要么开要么关，而且按照命令可以在开关之间切换。电脑里的比特不是像硬币可以真正的从一面翻转到另一面，它们的形状或者位置并不改变，它们看起来也没什么不同，它们不移动，不旋转，也不变大变小。电脑中的比特就是一块区域，当这个地方没电时，比特就是关；当有电时，比特就是开。

计算机里的“门”

        计算机里有很多比特，用这些比特可以组成一些结构，比如“门”，门的概念是因为当门打开时候，人们可以通过，当门关闭时候，阻止人们通过。计算机中门是通过两个比特的状态来确定的，不会自己关闭还是打开，阻止或者让任何东西通过，这可能和我们生活中的门定义不太一样，但是这是早期计算机的发明者命名的。

        计算机通过连接多个门来做一些有用的事情。如下图中间那一个带小圆的“D”表示我们要描述的设备，黑色线段是计算机中其它部门的进出电线。左边是一个带电源线的门，右边是后面它的简化版本。

        左侧a,b导线是两个输入，右侧的导线c是输出。a,b,c代表三个比特位，它们要么打开，要么关闭。门结构根据两个输入的比特状态设置输出状态时打开还是关闭。下面表格是可能的组合状态：

下面是计算机里常用的基础类型的门：

与门（AND），当a, b是同时打开状态时候，c为打开；否则c是关闭状态。

与非门（NAND），和AND门的结果刚好相关。在电路图中表现为D形状右边一个小圆圈。

非门（NOT）：当a是打开状态时候，c是关闭状态；当a是关闭状态时候，c是打开状态。

   

                   与门                                 与非门                                     非门

        “与”门在计算机中被大量使用，它可能是最容易理解的。但研究“与非”门有两个原因。第一个不太重要的原因是“与非”门是最容易构建的门。当你必须建造大量的门结构时，如果你能使用最容易建造的门类型，它将更便宜，更可靠。第二个非常重要的原因是，我们首先研究了与非门，这是因为：计算机中的所有构成都可以由一个或多个与非门组成。我们已经看到，非门和与门可以由NAND门组成，我们还将看到一些更有趣的组合，但它们中的每一个都是基于一个叫做与非门的小东西构建的。

        为什么与非门是最容易构建的门？这可能就和真实的基础电路知识有关了吧

与非门电路如何工作的？与非门电路原理介绍分析-技术资讯

与非门-构建逻辑世界的积木 - 知乎

电路图

        如果你想了解一台机械是如何工作的，最好的方法是观察它的内部，观察它运行时的部件移动，或者组装它。第二个方法就是从书本中研究它。书中会有很多显示其相互作用的图片。计算机是一台机器，但是它内部的移动是不可见，且无声的电流。单独的看计算机内部是一件很无聊的事，因为它看起来什么也没发生。

        计算机各个部分的实际构造是一个非常有趣的话题，但是这里我们并不准备深入讨论它。它大概是这样的发展：该技术从一个薄晶体晶片开始，经过一系列步骤，如受到各种化学品、光刻工艺、热和蒸发金属的影响。其结果是一种被称为“芯片”的东西，其表面有数百万个电子部件。该过程包括将零件连接成门，并将门连接成完整的计算机部分。然后，芯片被封装在一块有引脚的塑料中。其中有几个引脚插在电路板上，你就有了一台电脑。在这本书中，我们将要“建造”的计算机可以很容易地安装在一个不到四分之一平方英寸的芯片上。

        关键是，与机械机器不同，芯片的实际结构非常杂乱，很难理解，而且你无论如何也看不到电。前面我们看到的示意图（电路图）是显示计算机如何工作的最佳方式。

        计算机里所有的部件，都将通过电路图的形式向我们展示。电路图中只有两件东西，有输入和输出的部件，还有连接输出和输入的线或电线。当电流从门输出时，电流以最快的速度穿过整个电线。如果一个门的输出是开的，那么在连接到它的电线上，电流是开的。如果一个门的输出是关闭的，那么整个线路都是关闭的。门的输入不消耗导线中的电，因此一个输出可以连接到一个或多个门的输入。

        当电线连接在一起时，这在电路图上用一个点表示，所有连接在一起的电线都像一根电线一样通电。当导线在没有点的电路图上交叉时，这意味着它们之间没有连接，它们没有接触，两个比特是分开的。

        总会有这样的机会，电路图将显示从左到右或从页面顶部到底部移动的电流路径。然而，也有许多例外，但是，你总是可以通过从输出端开始，了解到电流的移动方向，并且跟随它到输出端。