92. 电脑原理 07:振荡器,触发器和锁存器

这次的内容对一部分人来说非常无聊,对另一部分人来说应该比较有趣。对于只想听干货的同学,可能要失望了,振荡器,触发器和锁存器说难吧,肯定难度不能算特别大,但是,一般人也不太可能花20多分钟,在上班的路上或者睡觉前听个电台就能完全搞定,这不现实!简单来说,振荡器也被叫做时钟,通过名字就能猜个八九不离十,clock,肯定是一种计时的东西。我们现在谈论CPU的频率3.5GHZ,就是和振荡器相关的东西,如果有兴趣的话,等一会儿再说。还有一个是触发器,这玩意是电脑必不可少的东西,使用触发器电路,可以保存信息,否则电脑连最基本的计数功能都完不成,更别说用电脑看个电影这么复杂的需求了。还有一个是锁存器,就是让电路锁住一个数据,以备以后使用,比如,以前讲的加法器,连续的对几个数字进行加法,其中的中间值就要使用锁存器来锁住。

好了,这三个东西的作用就是这些,细节的工作原理我不认为我可以在20分钟内讲清楚,因为牵扯到大量的电路图,这些电路图可以在课本《微机原理》上找到,我就尽量胡诌一下。我这个电台的名字叫『软件那些事儿』,不是『一眼学会计算机原理』,也不是『每天7分钟,你一定可以成为下一个马云』,所以,我不保证我说的能让你赚到钱。栋哥穷的叮当响,你千万不要指望听了我的电台,能让你加薪,可能性为0,所以,干货没了,下面我说的都是湿货了。

振荡器这个东西,还是比较简单的,就是震荡啊,脑震荡也是一种非常形象的震荡。只是这里的震荡是用电产生的,脑震荡是用拳头产生的。电这个东西非常神奇,栋哥是在2000年左右上的大学,那时候我还没有MP3,更没有手机,虽然穷,但是各方面还是很正常的,因此对音乐和女同学都有大部分人都有的需求,我买了一个sony的walkman来听歌,听磁带。电池就让耳机里的磁芯震动,我就可以听到张学友的歌曲了,或者一些民谣,这也算是震荡的一种,只是歌曲是不规则震荡,如果太规则了,歌曲也就不好听了。还有一种震荡,是规则的震荡,就是古老的电铃,现在的电铃都是电子器件了,我上初中的时候,要学习古老的电铃的电路图,我在网上找了一个,有兴趣的可以看一下。一个电池,一个电磁铁,一个弹簧片就能做一个电铃。

古老的电铃之所以能响,是因为当按电铃的时候,电路接通,弹簧会上下跳动,弹簧上接着一个小锤子,小锤子再敲击金属锣,电路不停的断开或者接通,然后就能发出声音了。

在前面我就说过,电铃实际上是一个反向器,其中的继电器会在连通和断开之间反复交替,直到我们把手从电铃的按纽上拿开。我们设想一个极端的情况,电铃的电路没有开关,一直是接通的,这样的话,只要有电,电铃会一直响。考虑一个问题,电铃的锤子两次敲击之间是有时间间隔的,可能是0.1秒,可能是0.2秒,这个具体时间我不知道,但是肯定有个时间间隔。要记住,电铃的本质是一个反向器,他的工作原理就是在两个状态之间来回切换,在计算机中,我们给这种电路起了另外一个名字,叫振荡器,如果还叫电铃的话显得比较low,要换个名字,但是原理是一样的。

不止在计算机领域,在现实生活中,换个名字的情况层出不穷,比如失业不叫失业叫下岗,贫民窟不叫贫民窟叫棚户区,别人不想聊天了不好意思说,就说去洗澡了,其实意思是一样的。所以以后听到别人说反向器的时候,心里要想到古老的电铃,原理是一样的。

以后我就不说电铃了,我开始说振荡器。振荡器的神奇之处在于,不需要人为的干涉,他就开始不知疲倦的干活了,完全的自动自发。只有一个振荡器用处并不大,只有和其他的电路一起的干活,才能完成有意义的工作。在所有的计算机中,一定要有振荡器,所有的计算机部件才能在相同的频率下工作,类似于有个人在喊口号,所有的电路都要按照这个口号一起工作。

电铃两次敲铃之间肯定有时间间隔,至于时间间隔多长,取决于硬件,不同的电铃周期不同。这个和人一样,不同的人有不同的周期,有的人号称一夜七次郎,像栋哥比七次强,我大概是十次郎吧。不同的CPU也不同,相同时间内计算次数越多的CPU,价格也越贵。再来说一下周期的概念,从某个初始状态开始,经过一段时间,又回到初始状态的这段时间,称之为一个周期。比如说那个一夜七次郎,在床上躺了9个月以后,在中西医的各种调理下,鬼门关走了一圈,终于恢复了初始状态,那么这个老兄的周期大概是9个月。

人的周期可以是个大约数,对电脑来说,必须是精确数,有一个单位专门来表示这个概念,这个单位是众所周知的赫兹,周期的倒数就是频率。赫兹是发现无线电的人,我们都应该感谢他,如果没有他发现无线电,还真不知道不拿个手机,坐在马桶上能干点啥!

关于振荡器就先说这些,等一会再说它,现在先说一下跷跷板和触发器的关系。跷跷板大家应该见过吧?我小时候经常玩,现在已经不玩了,当然这不是说我失去了童心,而是因为我增加了重量,以我的体重,已经没有谁可以和我玩跷跷板了,我只要坐上,跷跷板就变成了跷板,这真是个悲伤的故事。大家在脑子里想象几个跷跷板,基本上,跷跷板要么这边高,要么那边高,因为跷跷板的两个人不可能同时下来。人人都是福尔摩斯,通过跷跷板的状态,我们就可以推测出刚刚是哪个小朋友先下来的。从某种程度上说,跷跷板记录了以前的信息。触发器的各类很多,我觉得不太可能通过我的音频说清楚,毕竟栋哥不是搞知识变现的,不敢夸下海口说每天3分钟,用碎片时间就能学到电脑知识,我觉得3分钟想了解各种触发器是远远不够的,如果想深入了解具体工作原理,至少得花个3天吧。我只能说一下大概的原理。

触发器中有一种叫R-S触发器,这是最简单的一种触发器。比如说我们进入了一个黑房间,打开灯,灯就亮了,然后我又关上了开关,灯就灭了。如果我耍赖否认我曾经开过灯,如果没有录像,你很难说出个所以然,比如周立波曾经说他没有吸毒,这种事情很难说清楚。但是如果那个开关换成了触发器,那就不容易说谎了,当按下触发器的开关,灯亮了,接着你抬起了开关,你以为灯会灭,实际上灯还亮着。如果没有学过触发器的,会以为开关坏了,其实触发器就是这样,会记录下你干的事情,保存历史信息,触发器让电路具有记忆的功能。

如果有兴趣的人,我觉得还是自己去查一下,到底触发器是什么原理。刚刚说在RS触发器其实用处并不大,他只能记住哪一个输入端最近被输入了高电平,在电脑上,这个事情并不是特别有趣,在RS触发器上,两个输入端同时输入1是非法的,同时输入0没什么意义。如果能够记住上一个信号是0还是1就有用了。这需要一种更复杂的电路,研发一种新电路,这很浪费脑细胞,作为只肯吃干货从不动脑子的芸芸众生,我们就不用操心了,科学家对RS触发器进行了一番改进,弄出了电平触发的D型触发器,这是的D代表Data。这个电路图更复杂一些,但是正常人还是能看懂的。在电脑中,输入位是一个clock,还记得最开始的振荡器么?电铃。如果实在记不住,可以认为跷跷板上接了一个电铃吧。这个电路的作用是锁存一位数据并且保持它,以便将来使用。按照惯例,这个电路的功能增加了,得需要一个新名字了,他的新名字叫D型锁存器,另外一个新名字叫一位存储器,如果将多个D型锁存器组织在一起,就叫多位存储器。如果对电脑有兴趣,听到存储器应该会问这不就是内存么?是的,D型锁存器就是内存的基础,以后如果栋哥还继续挖坑的话,就再讲讲如何使用8-1选择器对今天所说的8个D型锁存器进行选择操作,然后将D型锁存器中的数据输出。译码器,选择器还有锁存器会组成一个新电路,他的名字叫随机访问存储器,一般我们喊他内存,100-200元就可以买一根。

从最简单的电铃开始,到振荡器,到触发器,到锁存器,到选择器,译码器,每次都是加上一两个小小的电路,然后就能完成稍微复杂一点的功能,再把这个电路改一个名字,最终竟然弄出来一台电脑,我个人觉得很有趣,如果你也觉得有趣,真应该拿一本《计算机组成原理》,一支笔,几张纸,花个2-3周的时间,画一画书上的电路图。当然了,这个可能比较没有意思,尤其是现在网上到处都是美女的直播,看她们露胸露大腿肯定比看书爽。

这期就到这里,别忘了关注我的公众号——软件那些事儿——如果你在打赏完女主播后还有闲钱,可以打赏栋哥。好了,来不急了,快上车,我去看直播了。 

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