2.2　电学的简单入门

现代计算机的功能是通过电子电路运行实现的。与使用其他目前的技术相比，使用电子电路将使计算机运算的速度更快而且更容易。本节将帮助你学习足够的电学知识，进而了解电学是如何在计算机硬件中发挥作用的。

2.2.1　用管道理解电

电是不可见的，让人很难想象它的样子，所以我们把它想象成水。像水来自水箱，电来自电池之类的电源。电池会耗尽电能，需要充电，就像水箱没水了需要加水一样。太阳是我们唯一的主要能量来源，在水箱里有水的情况下，太阳的热量导致水蒸发，蒸发的水蒸气又变成雨水补充了水箱。

我们从图2-8这样一个简单的水阀开始介绍。

可以看到，图中有一个打开和关闭阀门的手柄。图2-9是一个现实生活中的闸阀，闸阀这个名字来自通过手柄控制打开和关闭的阀门。当阀门打开时，水可以从装置中流过。假设0代表关闭，1代表打开。

我们可以用两个阀门和一些管道来说明AND运算，如图2-10所示。

可以看到，只有当两个阀门都打开（相当于都等于1）时，水才会流入，这就是第1章中AND运算的定义。当一个阀门的输出与另一个阀门的输入互相连接时，称为串联，如图2-10所示，它实现了AND运算。图2-11所示的叫作并联，是将两个阀门的输入和输出分别连接形成的，它实现了OR运算。

就像水流过管道需要时间一样，电流通过计算机芯片也需要时间。你很有可能经历过这种延迟：转动水龙头后，需要在淋浴间等待水变热。这种效应称为传播延迟，稍后我们会介绍它。延迟值不是一个固定的常数，对于水来说，温度会导致管道膨胀或收缩，从而改变水的流速，进而改变延迟时间。

电流会流过导线，就像水会流过管道一样。电流是一种电子流。导线由两部分组成：金属和覆盖物。内部的金属就像水管内的空间，是导体；外面的覆盖物就像水管本身，是绝缘体。阀门可以控制内部流体流动和阻断。在电的世界中，阀门被称为开关。管道和电路是如此的相似，以至于一种被淘汰的名为真空管的设备也被称为热阴极电子管。

水不只是被动地流过水管，它受到了强度可变的压力的推动。在电学上，水压等价于电压（V），以伏特（V）为单位，该单位以意大利物理学家Alessandro Volta（1745—1827）的名字命名。流动量称为电流（I），以安培（A）为单位，该单位以法国数学家André-Marie Ampère（1775—1836）的名字命名。

水可以通过宽管道，也可以通过窄管道，但越窄的管道阻力越大，限制了水的流量。即使电压（水压）很大，如果使用太细的导体（管道），也会产生很大的阻力，无法获得很大的电流（流量）。电阻（R）的测量单位是欧姆（Ω），以德国数学家、物理学家Georg Simon Ohm（1789—1854）的名字命名。

这三个变量——电压、电流和电阻——都与欧姆定律有关，即I=V/R。所以，就像水管一样，电阻越大，电流越小。电阻会将电能转化为热能，这就是烤面包机到电热毯等一切发热电器的工作原理。图2-12说明了电阻使电压难以产生电流的原理。

为了理解简单，可以把欧姆定律比作用吸管吸奶昔。

2.2.2　电源开关

只需插入或取下导体之间的绝缘体就可以实现电源的开关。想一想电灯开关，它们包含两块金属，这两块金属要么相互接触，要么被操控开关的把手分开。空气是一种相当好的绝缘体，当两块金属不接触时，就不能产生电流。（注意，之所以说空气是一个“相当好”的绝缘体，而不是“完美”的绝缘体，是因为在足够高的电压下，空气可以电离并变成导体，比如闪电。）

建筑物的管道系统可以在设计图中展示出来。称为电路的电气系统用原理图记录，其中的每一个元件都使用符号表示。图2-13展示的是简单开关的符号。

这种开关就像吊桥一样，当图上的箭头（桥）抬起时，电流（车）就不能从一边传输到另一边。看图2-14所示的老式刀形开关就很容易弄清楚了，这种开关经常出现在低端的科幻电影中。刀形开关仍然被应用于断电盒之类的东西，但现在它们通常放置在防护容器内，以防灼伤使用者。

图2-13和图2-14都展示了单极单掷（Single-Pole, Single-Throw, SPST）开关。极是指连接在一起可以一致移动的几个开关。前面提到的水阀是单极的，我们可以通过在一对阀门的手柄之间焊接一根杆来做一个双极阀，于是当你移动杆时，两个阀会一起移动。开关和阀可以有任意数量的极。单掷的意思是只有一个接触点，它可以打开或关闭某物，但不能打开一个的同时关闭另一个。要做到这点，需要一个单极双掷（Single-Pole, Double-Throw, SPDT）开关。图2-15为这种装置的符号。

单极双掷开关像铁路岔道，指引列车走这个铁轨或另一个铁轨，也像图2-16展示的分裂成两个管道的管道。

如你所见，当手柄被往下推时，水经由上阀流走。如果手柄被推上去，水会流经下阀。

可以对开关术语扩展以描述任何数量的极和掷。例如图2-17所示的双极双掷（DPDT）开关，虚线表示两极联动，也就是说它们会一起移动。图2-18展示了现实生活中的双极双掷刀形开关。

刚才没有考虑的一些关于供水系统的细节是，如果水流没有去处，供水系统就不能正常工作。如果排水管被堵住，水就不能流进水管，必须有让水从排水管流回到水箱的办法，否则排供水系统的水流将枯竭。

电气系统也是如此。电流从电源流出，通过元件并返回电源。这就是为什么电气系统被称为电路。也可以这样想：在操场上跑步需要跑回起跑线，然后再开始跑下一圈。

请看图2-19中的简单电路。它引入了两个新的符号，一个是电源符号（左边），一个是灯泡符号（右边）。如果你建造了这样的电路，你可以通过开关控制灯泡开闭。

当开关打开时，电路中没有电流。当开关闭合时，电流从电源流经开关，通过灯泡再回到电源。串联和并联开关的工作原理类似水阀。

现在已经介绍了一些电学知识和一些基本的电路元素，虽然它们可以用来实现一些简单的逻辑功能，但这些知识本身并没有强大到可以实现很多功能。下一节将介绍另外一种设备，它使早期使用电力驱动的计算机成为可能。