仙途高歌 第27章 设计ALU

由于人力资源的缺乏，没有地球上利用人力资源加速研发的办法，研究所只能利用时间慢慢攻克这些难题。

朝九晚五的日子倒也是自在，项目进度缓慢地进行着，每隔几个月就会有几个妖族或者别的部落人族加入研究院，但是总体说来，研究速度十分感人。

部落众人大部分闭关修炼，日子显得冷清，经过时间的筛选，很多人放弃了科学研究这条路，实在是令人感叹。

实际上，红石部落最引人注目的是修炼研究的进步，有方浩做榜样，凤也成了修炼研究院，从生物工程学得到启发开始研究生物基因，每隔一段时间就会有绚丽的法术被发明出来，然后增强修炼速度。

无数的部落中人受不了力量的诱惑加入修炼研究院，方浩的科学院虽然也热门，但是渐渐式微。

对于此事，方浩也不急，科学是一种非常有吸引力的实物，有着常人无法发现的美丽，自然这是对于真正理解了科学的人来说的。

对于门外人，科学研究是一件枯燥的事情，他们不理解醉心于科学研究的人，在普通人眼中，科学研究的人都是科学疯子，行为非常古怪。

经过了一年时间的论证和研究，方浩所在的团队以烧坏几万个电子管为代价，终于将逻辑门电路研究完成。

这次的研究不但弄清楚了逻辑门的设计，而且还收集了大量的数据，发现了当前电子管技术的很多缺陷，改进了几个版本的电子管设计。

不但如此，部落众人还找到了更好的电极材料，使得电子管的性能更高，只不过这种材料是修真材料，里面有着方浩也不理解的灵气存在，无法大规模加工。

方浩还是比较在意天然的材料，这样有利于减少后期量产的成本，也便于向洪荒大陆倾销，毕竟洪荒太大了。

对于灵气，整个部落的人都在研究，不过至今也没有研究清楚，实际上，灵气并不是气，而是一种看不见摸不着的东西，很可能是一种暗物质，以部落目前的技术还是无法接触到，更别说研究了。

方浩并不太喜欢利用含有灵气的物质制造电子管，科学无法忍受不能掌控的东西，他未雨绸缪，重点研究自然界存在的材料制作电子管，事先就定位到整个洪荒巨大的市场，他想利用科学影响整个洪荒，最终利用信息科学间接控制整个世界。

逻辑门电路一共包括三大类别，第一类是非门电路，第二类是与门电路，第三类是或门电路。

众人对这些门电路进行了深入的研究，编写了详细的数据手册，对性能，频率，功耗，散热，寿命等等进行了全方位的测试，确定了了最优使用状态。

非门运算：输入和输出结果相反。

与门运算：只有输入都为1时结果才为1。

或门运算：有一个输入为1时结果就为1。

或非运算：对或操作结果取反。

与非运算：对与操作结果取反。

有了逻辑门就开始设计加减乘除四则运算，实际上，计算机只会进行加法运算，需要将其它的运算全部转换为加法运算。

利用这些简单的门电路就可以实现最为关键的加法器。

在电脑内部，所有的运算都是加法，不过计算机的加法计算十分反人类。

首先，计算机把数转换成二进制，全是0、1代码，转换都是按现成的程序进行。

如果计算加法，则把两数按位相加，如 13 15 ，转换后是1101 1111 ，按 0 0=0 ，1 0=0 1=1，1 1=10 的规则，结果为 11100 ，输出时再转换为 28。

如果是计算减法，则把减数取补码，按位把0换成1，把1换成0，后加1，再相加。

以八位数据计算为例子，计算15-13 ，

先转换 15=00001111 ，13=00001101 ，

取13的补码为 11110010 ，加1 后为 11110011 ，

相加有 00001111 11110011=100000010 ，位数已超过八位，把最高位舍弃，取后八位为 00000010 ，也就是十进制的 2 。

这里的计算感觉很复杂，实际上，计算机计算起来并不麻烦，甚至非常简便快捷，因为计算机内部存在加法器，几个时钟周期就可以计算一次加法，再加上计算机内部都是自动化计算，通过加法器完成，计算起来非常快。

加法运算就是用加法器实现的，计算机里一个叫做alu的功能模块，里面有很多硬件的计算电路，比如加减乘除，开指数，指数，微分，积分，处理最基本的运算，加快数据的计算速度。

自然，加减乘除，开指数，指数，微分，积分等等运算也是由加法实现的，这里有很多的数学理论，计算机实际上就是数学思想的结晶。

alu还有一个功能，那就是决定进行哪种运算，键盘上的数学运算符号用来决定alu的选择，如果计算更复杂一点可以通过软件选择alu进行那种运算。

设计计算机首先就要设计alu，也就是设计加法器，计算机内部的加法器有全加器和纹波进位加法器、超前进位加法器。

一个全加器只能进行一位二进制的加法，有了全加器以后，就能做多位二进制数的加法了，只要把多个全加器的输入和输出连起来，就像可以实现多位的加法。

纹波进位加法器就是这样一个简单地把许多个全加器串联起来的加法器，它能进行多位数的加法运算，但这种加法器有种缺陷，就是bit位运算太慢，每个bit位的计算都要等到上个bit的运算结束后才能进行运算，导致如果运算位数非常之多的话，整个加法器运算会非常缓慢，所以纹波进位加法器只能做bit位较少的加法计算。

如果要进行bit位较多的加法计算，就要设计超前进位加法器，这种加法器不需要等上一位的运算结束，而是直接就可以通过布尔运算得出当前位的值，而计算的方式是利用硬件计算。

所以超前进位加法器也有缺陷，因为要利用硬件进行布尔运算，位数越多电路就越复杂，这样不仅运算会变慢，成本也会变高。

而用硬件进行布尔运算也需要用到加法器，所以超前进位加法器也是由全加法器实现的，只不过拥有更多的全加器，构成了超前进位全加器。

除了加法器之外还有减法，乘法，除法，等等，这是计算机必须的，计算机要进行复杂的运算，需要利用数值计算方法的原理，或是将各种数学函数变换变为只有加减乘除的多项式，或是使用迭代的方式计算，或是近似计算等等。