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前言
晶體管-->門電路-->組合邏輯電路-->時序邏輯電路-->CPU運算電路
這整體一套就可以搭建自己的CPU系統，就可以完全弄懂CPU。
話說在設計數字邏輯電路時所用到的最基本是門電路，門電路本身就是一種邏輯存在，這也算是一種“封裝”吧，我們在使用的時候不用去考慮門的內部結構，熟練掌握接口就OK，這些接口無非也就是輸入、輸出、控制。本文的重心不在討論如何使用門電路，而是如何使用物理結構實現門電路。
這個圖片是我舉的一個例子，其實現在做單片機和一些嵌入式，通常都要看大量的芯片手冊，來了解這些芯片的接口含義和具體使用的控制方法，不需要了解芯片內部的具體物理電路實現，這一層是用芯片的開發者，將芯片的使用從硬件搬到軟件語言，供其上層開發者來用，我記得Linux中有一句話“提供機制而不是策略”，大概就是爲上層提供接口，本層來實現這個接口，兩者互不干涉。
我想點開這篇文章的你，應該瞭解門電路吧，門電路是用以實現基本邏輯運算和複合邏輯運算的單元電路。
常用的門電路在邏輯功能上有：與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等幾種。這裏就不細說這些門電路，主要我們後面是如何實現這些門電路。
“門”電路，這個門加了一個引號，是什麼意思？
我們生活中的門是什麼，不就是門嗎，一個可以組織生物進出的開關而已，然而計算機中的門就是這個意思，當把許許多多的門按一定要求連接在一塊的時候，給接口引入電流，從另外的接口就有輸出結果流出，裏面全部用開關來實現邏輯，那麼我們就來看看這個門。門=開關
1、繼電器
之前看過一本書《編碼》，這本書裏大致內容：從古代通信開始，傳遞信息和數字編碼。接着用燈泡和開關來進行實現電路，接着繼電器被發現，用繼電器來充當開關使用，用電路來進行驅動繼電器，用繼電器和燈泡實現了門電路，並用基本的門電路來進行邏輯組合，實現了各種觸發器、存儲器、編碼譯碼器、加法器等。直到後面設計CPU時，還設計了CPU指令集，因爲要編寫程序指令來使用，但是編寫指令太困難太繁瑣，因此將機器語言(指令集)升級爲彙編語言。最後提到了操作系統和總線的一些歷史和基本知識，總體寫的不錯，豆瓣評分高推薦大家去看看。
這些圖片是我總結“編碼”裏面的，用繼電器來實現基本門電路。繼電器在上面的邏輯電路中作用：開關
2、電子管
1946年2月14號，取名爲ENIAC的第一臺電子計算機在美國賓夕法尼亞大學誕生。世界上第一臺計算機用1.8萬隻電子管，佔地170m*2，重30t，耗電150kW。
構造門電路需要什麼：開關特性，這裏說明一下真空二極電子管
1883年，美國科學家愛迪生爲了尋找電燈泡最佳燈絲材料，曾做過一項小小的實驗。他在真空電燈泡內部碳絲附近安裝一小截銅絲，希望銅絲能阻止碳絲蒸發。實驗結果使愛迪生大失所望，但在無意中，他發現，沒有連接在電路里的銅絲卻產生了微弱的電流。愛迪生並不重視這個現象，只是把它記錄在案，申報了一個未找到任何用途的專利，稱之爲“愛迪生效應”。所謂的“愛迪生效應”，實際上就是一種熱電子效應。通過下面的實驗，可以證明熾熱的燈絲表面會有電子產生。增加一個帶正電的電極，便會將電子吸引過來，呈現出電子發射現象。
其實簡單的說就是：燈絲加熱後內部的電子會逃逸出來，在真空管內部可以自由移動，在外加電場的作用下使這些自由電子進行定向的移動，最終產生電流。如果電場反置，將阻止電流的產生。-單向導通性。
知識點
分子與原子
分子是獨立存在而保持物質化學性質的最小粒子
原子是構成化學元素的基本單元和化學變化中的最小粒子，由原子核和繞核運動的電子組成
失去電子呈現正離子，得到電子呈現負離子。
氣體、液體、固體，組成這三態的分子間隔不同，我們可以直接存在於氣體分子之中，可以很少阻力的在氣體分子中進行活動；在大多數的液體中我們也可以直接進入，比如把手放進水裏面，就相當於我們人體分子進入水分子；但是對於固體而言，我們無法進入其中，因爲其分子間隔太小。
價電子：價電子指原子核外電子中能與其他原子相互作用形成化學鍵的電子（大多數是最外層電子）
原子實：原子核加上除價電子以外的所有電子
原子坍塌
原子核帶有正電荷，而電子的電荷的負的，所以原子核和電子之間有吸引力，類似太陽對行星的吸引力。電子爲了不掉到原子核上，就必須繞着原子核高速運動，讓離心力和吸引力達到平衡。但是這有一個嚴重的問題，那就是電子繞着原子核運動就是加速運動，而電荷的加速運動必然會產生電磁波輻射。按照麥克斯韋的電磁場理論進行計算，立刻就發現電子的電磁波輻射會很強，幾乎瞬時就會損失掉全部的動能落到原子核上。
能級理論
物理學家玻爾提出：電子在原子核內並不是繞着原子核做瘋狂的圓周運動，而是處於一些穩定的軌道上，在這些軌道上不會產生電磁波輻射，只有電子在這些穩定的軌道（也稱爲“能級”）之間跳動（也稱爲“躍遷”）時，才吸收或者發出光子，光子的能量就是兩個軌道的能級之差，因此光子的能量就是“量子化”的，這就是最早的波爾原子模型。由玻爾的理論發展而來的現代量子物理學認爲原子核外電子的可能狀態是不連續的，因此各狀態對應能量也是不連續的。
原子核外電子排布規律
1、泡利不相容定理：每個軌道最多隻能容納兩個電子，且自旋相反配對
2、能量最低理論：電子儘可能佔據能量最低的軌道
3、洪特規則：簡併軌道（能級相同的軌道）只有被電子逐一自旋平行地佔據後，才能容納第二個電子
能帶理論
上面提到的能級理論，說明了原子核外的電子是能級分佈的，所以產生了能級。
孤立原子的外層電子可能取的能量狀態（能級）完全相同，但當原子彼此靠近時，外層電子就不再僅受原來所屬原子的作用，還要受到其他原子的作用，這使電子的能量發生微小變化。原子結合成晶體時，原子最外層的價電子受束縛最弱，它同時受到原來所屬原子和其他原子的共同作用，已很難區分究竟屬於哪個原子，實際上是被晶體中所有原子所共有，稱爲共有化。原子間距減小時，孤立原子的每個能級將演化成由密集能級組成的準連續能帶。共有化程度越高的電子，其相應能帶也越寬。
孤立原子的每個能級都有一個能帶與之相應，所有這些能帶稱爲允帶。
相鄰兩允帶間的空隙代表晶體所不能佔有的能量狀態，稱爲禁帶。
被電子佔滿的允帶稱爲滿帶。滿帶中的電子不能參與宏觀導電過程。
無任何電子佔據的能帶稱爲空帶。
價電子所填充的能帶稱爲價帶。
由自由電子形成的能量空間稱爲導帶。金屬價帶和導帶間不存在禁帶，所以金屬價帶就是導帶。
載流子：電流載體，稱載流子，在物理學中載流子指可以自由移動的帶有電荷的物質微粒，如電子和離子。
導體
導體是指電阻率很小且易於傳導電流的物質。導體中存在大量可自由移動的帶電粒子稱爲載流子。在外電場作用下，載流子作定向運動，形成明顯的電流。金屬是最常見的一類導體。金屬原子最外層的價電子很容易掙脫原子核的束縛，而成爲自由電子，留下的正離子（原子實）形成規則的點陣。
電解質的溶液或稱爲電解液的熔融電解質也是導體，其載流子是正負離子。通常情形下，氣體是良好的絕緣體。如果藉助於外界原因，如加熱或用x射線、y射線或紫外線照射，可使氣體分子離解，因而電離的氣體便成爲導體。
半導體
半導體指常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的材料。與金屬或電解液的情況不同，半導體中雜質的含量以及外界條件的改變（如光照，或溫度、壓強的改變等），都會使它的導電性能發生顯著變化。
本徵半導體
完全不含雜質且無晶格缺陷的純淨半導體稱爲本徵半導體，電子-空穴對的產生而形成的混合型導電。製作CPU的純淨半導體高達99.999999999%的純度。本徵半導體的導電能力主要由其本徵激發決定。（主要有硅、鍺材料）
本徵激發
在極低溫度下，半導體的價帶是滿帶，受到熱激發後，價帶中的部分電子會越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子後成爲導帶，價帶中缺少一個電子後形成一個帶正電的空位，稱爲空穴。
自由電子與空穴
空穴導電並不是實際運動，而是一種等效。電子導電時等電量的空穴會沿其反方向運動。 [2] 它們在外電場作用下產生定向運動而形成宏觀電流，分別稱爲電子導電和空穴導電。
導帶中的電子會落入空穴，電子-空穴對消失，稱爲複合。複合時釋放出的能量變成電磁輻射（發光，也就是釋放光子）或晶格的熱振動能量（發熱）。在一定溫度下，電子-空穴對的產生和複合同時存在並達到動態平衡。
雜質半導體（N型/P型半導體）
在本徵半導體中摻入某些微量元素作爲雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。
摻入三價元素爲P型半導體
摻入五價元素爲N型半導體
PN結
這個概念比較重要，因爲這是後面好多特性管子的基礎
理解這個PN結對理解後面的晶體管很重要，理解這個PN結要理解能帶理論，能帶理論根據量子理論將電子分佈分成層級，將能量量子化，在晶體中可以產生能帶，爲這個PN結的產生提供可實現基礎。
導帶
施主能級（5價摻雜的額外電子）
受主能級（3價摻雜的空穴位置）
價帶
（什麼意思：最外層電子很容易到達受主能級，施主能級的電子很容易到達導帶也就是成爲自由電子）
具體要弄懂PN結這個東西具有單向導通性，那麼這個東西是否可以作爲我們的開關呢？
3、二極管
其實主要的就是理解PN結的原理。前面提到的二極管是電子管制作的，這裏要說的二極管是由半導體構成的。
這些是基本的二極管符號
二極管主要的功能：單向導電
上面說到了PN結，二極管就是由一個PN結構成的，單向導通性，正偏導通電路，反偏截至。
正偏時：內電場被強制越過，電子移動產生電流
反偏時：增強內電場，電子無法越過，截止電流（但是反向是可以擊穿的）
4、晶體管
TTL電路，也就是晶體管電路，由兩個PN結組成，接下來主要說明雙極晶體管的原理。雙極結型晶體管有兩種基本結構：PNP型和NPN型。
在這3層半導體中，中間一層稱基區，外側兩層分別稱發射區和集電區。
用一個電流來驅動另一個電流（晶體管爲：電流驅動）
在這個圖中解釋了，三極管的基本原理，三極管還有很多特性，這裏只說明其開關特性，使其工作在飽和區和截止區就可以滿足我們的需求。
5、MOS管
上面說到的晶體管，是雙極晶體管，這裏說到的場效應管是單極晶體管
FET：場效應管
JFET：結型場效應管
MOSFET：金屬-氧化物半導體場效應晶體管
CMOS：互補金屬氧化物半導體
用電壓來驅動電流（場效應管爲：電壓驅動）
總結：構造門電路
根據上面說的二極管、晶體管、場效應管，雖然只說明瞭其部分使用原理，但是對於構造門電路，從原理上已經可以了，此外這些電子器件還有很多特性，還有很多的電路如：放大電路、反饋電路、集成運放、振盪電路、濾波電路、整流電路等很多不在說，因爲我們只關心門電路也就是開關作用。還有一些電路的參數也拋開不談，那樣我覺得會加大理解難度，這篇文章主要從原理弄明白大概是如何構造的。
二極管與、或門
三極管非門
TTL非、與非、或非、與或非門
CMOS非、與非、或非、異或、三態門
這裏再說一下TTL反相器，（硅管正偏壓降0.7V）
對於這個總結，還有很多沒有提到，我也可能存在一些理解偏差，還望大家能指出。要學習更多的還得更加深入瞭解。