本篇文章來看看計算機在硬件層面究竟是怎么表示二進制的，CPU究竟是怎么實現的？通過本文的學習，我們也可以反過來明白為什么計算機會采用二進制了。

開關

我們在生活中，處處都是開關，比如控制燈的開關!

我們可以發現一個很簡單的現象：

1. 串聯的開關，只有2個開關都閉合，燈泡才亮。這也就是布爾代數中"邏輯運算與"
2. 并聯的開關，只要有1個開關閉合，燈泡就會亮。這也就是布爾代數中"邏輯運算或"

我們以最簡單的2個數，0和1來舉個例子，寫出其布爾代數的真值表：

電報和繼電器

在人類信息傳遞發展的歷史上，長途信息傳遞一直是非常困難的時，當時常見的方式有，比如人騎馬送信，訓練信鴿、點燃烽火，但信息傳遞的效率都非常低效。直到電報的出現，電報思想的正式成形是在19世紀早期，它的讓人類傳遞信息的效率得到極大的提升。

電報利用電的特性來傳遞信息，早期設計復雜且不穩定，傳遞的信息復雜度又比較低，1837年美國人摩爾斯通過電磁感應改良了發報機，并發明了 摩爾斯電碼 。他將電報劃分為2種信號，短促的"點信號"和長一點的"劃信號", 將把“點”當成“1”，把“劃”當成“0”(這不就是二進制嘛),并編寫了個“字典”將字母及數字編碼一一對應，這樣就能傳遞復雜的信息，在未來產生了巨大影響力，意味著現代通信的開始。

由于早期的電報傳輸，需要鋪設電線，但是隨著電線越長，其電阻就越大，電信號常常傳輸過程中被消耗點，這樣接受方就無法接收到信息了。幸運的是，工程師發明了 繼電器 ，其原理就是 接收微弱的信號，然后不斷地通過新的電源重新放大已經開始衰減的原有信號，最后把它增強后發送出去 。

當開關是打開的話，燈泡是不亮的；但當開關是閉合的話， 電流流過圍繞在鐵棒上的線圈，會發生電磁效應，鐵棒就具有了磁性，會將彈簧片吸下來，右邊電路就通了，燈泡就會亮了。這樣通過繼電器，一段段放大信號，電報就能長距離傳輸信息了。

雖然繼電器有放大信號的作用，但和開關一樣繼電器也可以串聯或并聯以執行邏輯中的簡單任務，

繼電器比起普通的開關的優勢在于繼電器無需直接被輸入者控制，可以被其他繼電器控制，這樣就可以組合完成更復雜的操作 。

比如我們可以通過繼電器實現: 當我們閉合開關時，燈泡關閉;當我們打開開關時，燈泡去點亮這種燈泡的狀態和開關的閉合狀態相反的操作,普通開關是無法實現這種操作的。這些電路物理的表象下隱藏的邏輯關系，一直沒有被人發現。

直到1938年，克勞德·香農在麻省理工學院所寫的碩士論文《A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuits》中闡述了繼電器和開關電路中的符號分析之間的關系，他將開關、繼電器、二進制、布爾代數聯系起來。也就是發現 人類可以通過開關和繼電器這些普通的電路，直接就能實現布爾代數各種邏輯運算操作 。這些繼電器的組合被稱為 邏輯門 ，他們構造基本的邏輯電路，也叫 門電路 。

門電路

上面是3種最最基本的門：

1. 與門，兩個開關只有同時打開，電流才會通過，燈泡才會亮
2. 非門，當開關閉合時,電流會通過，燈泡會亮;開關打開，電流不能通過反而，燈泡熄滅
3. 或門，兩個開關中只要有一個打開電流就能通過，燈就會點亮

這些門其實就是一個個"開關"的抽象, 以后我們需要的各種復雜的邏輯都可以通過這3個門來實現，真的是非常奇妙 我們再來看一個常見的門：異或門XOR