2.2　電學的簡單入門

現代計算機的功能是通過電子電路運行實現的。與使用其他目前的技術相比，使用電子電路將使計算機運算的速度更快而且更容易。本節將幫助你學習足夠的電學知識，進而了解電學是如何在計算機硬件中發揮作用的。

2.2.1　用管道理解電

電是不可見的，讓人很難想象它的樣子，所以我們把它想象成水。像水來自水箱，電來自電池之類的電源。電池會耗盡電能，需要充電，就像水箱沒水了需要加水一樣。太陽是我們唯一的主要能量來源，在水箱里有水的情況下，太陽的熱量導致水蒸發，蒸發的水蒸氣又變成雨水補充了水箱。

我們從圖2-8這樣一個簡單的水閥開始介紹。

可以看到，圖中有一個打開和關閉閥門的手柄。圖2-9是一個現實生活中的閘閥，閘閥這個名字來自通過手柄控制打開和關閉的閥門。當閥門打開時，水可以從裝置中流過。假設0代表關閉，1代表打開。

我們可以用兩個閥門和一些管道來說明AND運算，如圖2-10所示。

可以看到，只有當兩個閥門都打開（相當于都等于1）時，水才會流入，這就是第1章中AND運算的定義。當一個閥門的輸出與另一個閥門的輸入互相連接時，稱為串聯，如圖2-10所示，它實現了AND運算。圖2-11所示的叫作并聯，是將兩個閥門的輸入和輸出分別連接形成的，它實現了OR運算。

就像水流過管道需要時間一樣，電流通過計算機芯片也需要時間。你很有可能經歷過這種延遲：轉動水龍頭后，需要在淋浴間等待水變熱。這種效應稱為傳播延遲，稍后我們會介紹它。延遲值不是一個固定的常數，對于水來說，溫度會導致管道膨脹或收縮，從而改變水的流速，進而改變延遲時間。

電流會流過導線，就像水會流過管道一樣。電流是一種電子流。導線由兩部分組成：金屬和覆蓋物。內部的金屬就像水管內的空間，是導體；外面的覆蓋物就像水管本身，是絕緣體。閥門可以控制內部流體流動和阻斷。在電的世界中，閥門被稱為開關。管道和電路是如此的相似，以至于一種被淘汰的名為真空管的設備也被稱為熱陰極電子管。

水不只是被動地流過水管，它受到了強度可變的壓力的推動。在電學上，水壓等價于電壓（V），以伏特（V）為單位，該單位以意大利物理學家Alessandro Volta（1745—1827）的名字命名。流動量稱為電流（I），以安培（A）為單位，該單位以法國數學家André-Marie Ampère（1775—1836）的名字命名。

水可以通過寬管道，也可以通過窄管道，但越窄的管道阻力越大，限制了水的流量。即使電壓（水壓）很大，如果使用太細的導體（管道），也會產生很大的阻力，無法獲得很大的電流（流量）。電阻（R）的測量單位是歐姆（Ω），以德國數學家、物理學家Georg Simon Ohm（1789—1854）的名字命名。

這三個變量——電壓、電流和電阻——都與歐姆定律有關，即I=V/R。所以，就像水管一樣，電阻越大，電流越小。電阻會將電能轉化為熱能，這就是烤面包機到電熱毯等一切發熱電器的工作原理。圖2-12說明了電阻使電壓難以產生電流的原理。

為了理解簡單，可以把歐姆定律比作用吸管吸奶昔。

2.2.2　電源開關

只需插入或取下導體之間的絕緣體就可以實現電源的開關。想一想電燈開關，它們包含兩塊金屬，這兩塊金屬要么相互接觸，要么被操控開關的把手分開。空氣是一種相當好的絕緣體，當兩塊金屬不接觸時，就不能產生電流。（注意，之所以說空氣是一個“相當好”的絕緣體，而不是“完美”的絕緣體，是因為在足夠高的電壓下，空氣可以電離并變成導體，比如閃電。）

建筑物的管道系統可以在設計圖中展示出來。稱為電路的電氣系統用原理圖記錄，其中的每一個元件都使用符號表示。圖2-13展示的是簡單開關的符號。

這種開關就像吊橋一樣，當圖上的箭頭（橋）抬起時，電流（車）就不能從一邊傳輸到另一邊。看圖2-14所示的老式刀形開關就很容易弄清楚了，這種開關經常出現在低端的科幻電影中。刀形開關仍然被應用于斷電盒之類的東西，但現在它們通常放置在防護容器內，以防灼傷使用者。

圖2-13和圖2-14都展示了單極單擲（Single-Pole, Single-Throw, SPST）開關。極是指連接在一起可以一致移動的幾個開關。前面提到的水閥是單極的，我們可以通過在一對閥門的手柄之間焊接一根桿來做一個雙極閥，于是當你移動桿時，兩個閥會一起移動。開關和閥可以有任意數量的極。單擲的意思是只有一個接觸點，它可以打開或關閉某物，但不能打開一個的同時關閉另一個。要做到這點，需要一個單極雙擲（Single-Pole, Double-Throw, SPDT）開關。圖2-15為這種裝置的符號。

單極雙擲開關像鐵路岔道，指引列車走這個鐵軌或另一個鐵軌，也像圖2-16展示的分裂成兩個管道的管道。

如你所見，當手柄被往下推時，水經由上閥流走。如果手柄被推上去，水會流經下閥。

可以對開關術語擴展以描述任何數量的極和擲。例如圖2-17所示的雙極雙擲（DPDT）開關，虛線表示兩極聯動，也就是說它們會一起移動。圖2-18展示了現實生活中的雙極雙擲刀形開關。

剛才沒有考慮的一些關于供水系統的細節是，如果水流沒有去處，供水系統就不能正常工作。如果排水管被堵住，水就不能流進水管，必須有讓水從排水管流回到水箱的辦法，否則排供水系統的水流將枯竭。

電氣系統也是如此。電流從電源流出，通過元件并返回電源。這就是為什么電氣系統被稱為電路。也可以這樣想：在操場上跑步需要跑回起跑線，然后再開始跑下一圈。

請看圖2-19中的簡單電路。它引入了兩個新的符號，一個是電源符號（左邊），一個是燈泡符號（右邊）。如果你建造了這樣的電路，你可以通過開關控制燈泡開閉。

當開關打開時，電路中沒有電流。當開關閉合時，電流從電源流經開關，通過燈泡再回到電源。串聯和并聯開關的工作原理類似水閥。

現在已經介紹了一些電學知識和一些基本的電路元素，雖然它們可以用來實現一些簡單的邏輯功能，但這些知識本身并沒有強大到可以實現很多功能。下一節將介紹另外一種設備，它使早期使用電力驅動的計算機成為可能。