Wie berechnen Rechner?

Wenn Sie und ich zwei berechnen plus zwei, wir stellen Sie sich einen Zahlenstrahl und starten Sie an zwei hop über ein paar Stellen kommt man zu vier (oder zumindest wir haben, bis wir die Antwort auswendig gelernt). Einfach – so ist einfach, in der Tat, dass "setzen zwei und zwei zusammen" eine Analogie für etwas Selbstverständliches abzuleiten.

Aber was ist, wenn man sich nicht vorstellen einen Zahlenstrahl? Was passiert, wenn du eine kleine, graue, Taste bedeckten Box voller Elektronen? Wie berechnen Sie dann, dass zwei plus zwei gleich vier?

Der Prozess selbst ist nicht so einfach, aber wenn Sie verstehen, wie diese Grundrechenarten in einem Rechner funktioniert, Sie können "legen Sie zwei und zwei zusammen", wie es viel kompliziertere Berechnungen durchführt.

Zunächst einmal, die Eingabe: beim Betätigen der Taste "2" die Schaltfläche "komprimiert eine Gummiunterlage darunter, die wiederum einen elektrischen Draht in Kontakt miteinander drückt, eine Schaltung zwischen ihnen zu schaffen. Von einer Batterie gespeist, fließt Strom entlang der Strecke zu Transistoren.

Transistoren sind mikroskopische elektrische Schalter, die zwei Positionen: ein- und ausschalten. Die Position wird durch die Nummer 1, und der aus-Stellung durch die Zahl 0 dargestellt. (Das sind die berühmten 1 s und 0sthat bilden die binäre Sprache von Computern und Rechner) Alle Zahlen können durch eine Reihe von 1 s und 0 s dargestellt. Die Nummer 2 – die Sie eingegeben für diese Berechnung — sendet Elektronen schießen in zwei Transistoren, einer von ihnen einschalten und das andere aus. Die Transistor-Konfiguration für "2" ist also "10."

Next, klicken Sie den "+". Der Kautschuk unter es zerschlägt zwei Drähte in Berührung, wodurch Strom fließen in einer Weise, dass die erste Eingabe (die "2") gespeichert, die Zusatz-Funktion signalisiert und der Rechner bereit für eine neue Eingabe ist. Sie Taste "2". Genau wie sie das erste Mal, übersetzen elektrische Ströme Ihre "2" in Binär-Code, durch den Wechsel einen Transistor auf und ein anderes aus.

Zu guter Letzt Taste Sie "=". Der Rechner hat jetzt grünes Licht für die zuvor eingegebenen "+" Befehl ausführen. Zwei seiner Transistoren (in der 10-Konfiguration) entsprechen die ersten "2" Sie gedrückt, und ein weiteres paar Transistoren, auch in der 10 Position entspricht der zweiten Nummer 2. Jetzt muss der Rechner diese Eingaben addieren.

Taschenrechner (und Computer) kombinieren Eingänge mit elektronischen Komponenten genannt Logik-Gatter. Wie der Name schon sagt, wirkt eine logische Schaltung wie eine Barriere in eine elektronische Schaltung; Sie nimmt zwei elektrische Ströme, vergleicht diese und sendet eine neue Strömung, basierend auf was es findet. Es gibt mehrere Arten von Logik-Gatter: und, OR, NOT und XOR (exclusive OR). Zusammen ermöglichen die Logik-Gatter Schaltungen zu hinzufügen, subtrahieren, multiplizieren und dividieren die Zahlen von Transistoren zu ihnen geschickt.

Nehmen Sie das und-Gatter: Wenn beide Signale, die am Flugsteig eintreffen 1 s sind, sendet dann und 1. Aber erhält es eine 1 und 0 oder zwei 0, sendet es eine 0.

OR sendet eine 1, wenn entweder oder beide seiner Eingänge ist ein 1, während XOR nur eine 1 ausgibt, wenn die Eingänge 1 und 0 sind. Das nicht-Tor schaltet das eingehende Signal: Wenn der Eingang 1 ist, ist seine Ausgabe 0, und umgekehrt.

Logik-Gatter werden verwendet, um die Informationen in den beiden Paaren von Transistoren zu kombinieren – 10 und 10 (für 2 und 2). Auch die einfache Bedienung der Addition dieser Zahlen erfordert eine komplizierte Reihe von Logik-Gatter, aber hier ist der Kern des Prozesses:

Die 1 s werden an einem und-Gatter gesendet. Die Ausgabe ist 1. Die 1 s werden auch ein XOR-Gatter. Da beide Eingänge 1 sind, gibt die XOR-Gatter eine 0. Die ursprüngliche 0en (von 10 und 10) sind auch an gesendet und und XOR Gatter, die beide Ausgänge 0 zu produzieren. In einem Prozess ähnlich "tragen die zehn Ort" in regelmäßige Ergänzung, die Ausgabe von die 0en und-Gatter wird kombiniert mit der Leistung von 1 s-XOR-Gatter: die 0 und 0 sind durch ein oder-Gatter, wodurch eine 0 gesendet. (Es gab nichts zu tragen.)

Die endgültige ausgegebenen Signale sind 1, 0 und 0. Im Binärcode stellt 100 4. [Abbildung: Fahrplan des Prozesses]

Zusätzliche Logik-Gatter "herauszufinden," ob Sie die verschiedenen Abschnitte verwendet, um die Formen der Zahlen bilden verdunkeln – in der Regel bestehend aus sieben Bars als eine digitale acht angeordnet – auf dem Rechner-Bildschirm. Um eine 4 zu machen, zum Beispiel muss die obere Leiste nicht abgedunkelt werden. Sicher genug, wenn das Array von Logikgattern verknüpft mit dieser Top-Leiste durch 100 (für 4) gesendet wird, wird das Endergebnis eine 0--einen "nicht verdunkeln die Bar" Befehl sein.

Diese Schaltung geschieht in Sekundenschnelle, produzieren eine 4 auf dem Display scheinbar sofort. Um komplexere Berechnungen, wie Multiplikation oder Division massenhaft, führt ein Taschenrechner eine lange Reihe von einfachen Ergänzungen und Subtraktionen, die viel wie die obige Beschreibung des 2 + 2 auftreten. Solche Berechnungen nehmen mehr Zeit, aber immer noch nicht mehr als ein Wimpernschlag.

Dieser Artikel wurde durch die Geheimnisse des Lebens wenig, eine Schwester Website LiveScience zur Verfügung gestellt. Folgen Sie Natalie Wolchover auf Twitter @nattyover.