1. 從信使到電報，我們怎么做到“千里傳書”？

從信息編碼的角度來說，金、鼓、燈塔、烽火臺類似電報的二進制編碼。電報傳輸?shù)男盘栍袃煞N，一種是短促的點信號（dot 信號），一種是長一點的劃信號（dash 信號）。我們把“點”當成“1”，把“劃”當成“0”。這樣一來，我們的電報信號就是另一種特殊的二進制編碼了。電影里最常見的電報信號是“SOS”，這個信號表示出來就是 “點點點劃劃劃點點點”。

比起燈塔和烽火臺這樣的設備，電報信號有兩個明顯的優(yōu)勢。第一，信號的傳輸距離迅速增加。因為電報本質上是通過電信號來進行傳播的，所以從輸入信號到輸出信號基本上沒有延時。第二，輸入信號的速度加快了很多。電報機只有一個按鈕，按下就是輸入信號，按的時間短一點，就是發(fā)出了一個“點”信號；按的時間長一些，就是一個“劃”信號。只要一個手指，就能快速發(fā)送電報。

而且，制造一臺電報機也非常容易。電報機本質上就是一個“蜂鳴器 + 長長的電線 + 按鈕開關”。蜂鳴器裝在接收方手里，開關留在發(fā)送方手里。雙方用長長的電線連在一起。當按鈕開關按下的時候，電線的電路接通了，蜂鳴器就會響。短促地按下，就是一個短促的點信號；按的時間稍微長一些，就是一個稍長的劃信號。

2. 理解繼電器，給跑不動的信號續(xù)一秒

對于電報來說，電線太長了，使得線路接通也沒有辦法讓蜂鳴器響起來。那么，我們就不要一次鋪太長的線路，而把一小段距離當成一個線路。我們也可以跟驛站建立一個小電報站，在小電報站里面安排一個電報員。他聽到上一個小電報站發(fā)來的信息，然后原樣輸入，發(fā)到下一個電報站去。這樣，我們的信號就可以一段段傳輸下去，而不會因為距離太長，導致電阻太大，沒有辦法成功傳輸信號。為了能夠實現(xiàn)這樣接力傳輸信號，在電路里面，工程師們造了一個叫作繼電器（Relay）的設備。

事實上，這個過程中，我們需要在每一階段原樣傳輸信號，所以你可以想想，我們是不是可以設計一個設備來代替這個電報員？相比使用人工聽蜂鳴器的聲音，來重復輸入信號，利用電磁效應和磁鐵，來實現(xiàn)這個事情會更容易。

我們把原先用來輸出聲音的蜂鳴器，換成一段環(huán)形的螺旋線圈，讓電路封閉通上電。因為電磁效應，這段螺旋線圈會產(chǎn)生一個帶有磁性的電磁場。我們原本需要輸入的按鈕開關，就可以用一塊磁力稍弱的磁鐵把它設在“關”的狀態(tài)。這樣，按下上一個電報站的開關，螺旋線圈通電產(chǎn)生了磁場之后，磁力就會把開關“吸”下來，接通到下一個電報站的電路。

如果我們在中間所有小電報站都用這個“螺旋線圈 + 磁性開關”的方式，來替代蜂鳴器和普通開關，而只在電報的始發(fā)和終點用普通的開關和蜂鳴器，我們就有了一個拆成一段一段的電報線路，接力傳輸電報信號。這樣，我們就不需要中間安排人力來聽打電報內容，也不需要解決因為線纜太長導致的電阻太大或者電壓不足的問題了。我們只要在終點站安排電報員，聽寫最終的電報內容就可以了。這樣是不是比之前更省事了？

事實上，繼電器還有一個名字就叫作電驛，這個“驛”就是驛站的驛，可以說非常形象了。這個接力的策略不僅可以用在電報中，在通信類的科技產(chǎn)品中其實都可以用到。

比如說，你在家里用 WiFi，如果你的屋子比較大，可能某些房間的信號就不好。你可以選用支持“中繼”的 WiFi 路由器，在信號衰減的地方，增加一個 WiFi 設備，接收原來的 WiFi 信號，再重新從當前節(jié)點傳輸出去。這種中繼對應的英文名詞和繼電器是一樣的，也叫 Relay。

當我們把輸出端的“螺旋線圈 + 磁性開關”的組合，從默認關掉，只有通電有了磁場之后打開，換成默認是打開通電的，只有通電之后才關閉，我們就得到了一個計算機中的“非”操作。輸出端開和關正好和輸入端相反。這個在數(shù)字電路中，也叫作反向器（Inverter）。

與、或、非的電路都非常簡單，要想做稍微復雜一點的工作，我們需要很多電路的組合。不過，這也彰顯了現(xiàn)代計算機體系中一個重要的思想，就是通過分層和組合，逐步搭建起更加強大的功能。

回到我們前面看的電報機原型，雖然一個按鈕開關的電報機很“容易”操作，但是卻不“方便”操作。因為電報員要熟記每一個字母對應的摩爾斯電碼，并且需要快速按鍵來進行輸入，一旦輸錯很難糾正。但是，因為電路之間可以通過與、或、非組合完成更復雜的功能，我們完全可以設計一個和打字機一樣的電報機，每按下一個字母按鈕，就會接通一部分電路，然后把這個字母的摩爾斯電碼輸出出去。

雖然在電報機時代，我們沒有這么做，但是在計算機時代，我們其實就是這樣做的。我們不再是給計算機“0”和“1”，而是通過千萬個晶體管組合在一起，最終使得我們可以用“高級語言”，指揮計算機去干什么。

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參考鏈接：https://time.geekbang.org/column/article/95868

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机组成原理-原理篇：指令与运算-12理解电路：从电报机到门电路，我们如何做到“千里传信”？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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