如何阅读 CPU 电路图（以 6502 为例）

开篇

你是否曾对 CPU 的工作原理充满好奇，以及简单的晶体管又是如何组成逻辑门，进而构建出复杂的逻辑电路实现？本文将以知名的 6502 CPU 的电路图为例，介绍如何阅读 CPU 电路图，并向你演示如何从晶体管电路还原出逻辑门电路。通过这篇文章的引导，你将能够揭开 CPU 复杂设计的面纱，一窥其内部运作的奥秘。

示例图

首先，让我们先大致了解一下 6502 CPU 的晶体管电路图。目前我能找到的电路图有两个。一个是一份 PDF 文档（6502 Schematic.pdf），这份文档中的电路图虽然没有详细到每根线都画出来，但关键组件的电路图都有，算是很简洁的一份电路图。另一份是电路图是 GitHub 上有人整理的一个 SVG 版本的电路图（下图），这份电路图非常详尽，详细到每根线、每个晶体管都有，是非常好的资源。

MOSFET

仔细研究上面的电路图，可以发现图中一共可总结出两种元件，如下图：



它们都是一种 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），再具体点，它们都是一种 N 型 MOSFET，简称 NMOS。

MOSFET 可以看作一种由电压控制的特制开关，其中 NMOS 在控制电压为高电平（逻辑 1）时导通，低电平（逻辑 0）时断开。



上图中，上部中间的连接端就是控制端。

耗尽型 NMOS

既然都是 NMOS，那 A 和 B 的区别是什么呢？答案是，A 属于增加型 NMOS，而 B 属于耗尽型。

耗尽型 NMOS 的作用是充当负载，为其它 MOS 提供电压电流，相当于一个电阻。充当负载时，它的一个连接端与供电相接（如下图），另一个连接端与控制端连接在一起，使它处于常导通状态。



上图中，小圆圈表示供电。

非门

根据 NMOS 高电平导通的特性，将它的一个端接地，另一个连接端搭配一个耗尽型 NMOS 的负载就可以构成一个非门。



当 X 为高电平时，下面的 NMOS 导通，Y 相当于直接接地，此时 Y 为低电平；当 X 为低电平时，下面的 NMOS 截止，Y 相当与供电连接，此时 Y 为高电平。综上，这个电路是一个非门逻辑电路。

与非门

在非门的下方再串联一个 NMOS，就得到了与非门。

或非门

在非门的旁边再并联一个 NMOS，就得到了或非门。

锁存器

电路图中还有一类非常常见的结构，如下图：

这种结构大概率表达的是一种锁存器 -- D-锁存器。锁存器是一种基本的存储元件，相当于一个 1 比特的内存，在时序逻辑中用于存储和保持状态信息。锁存器的使能端（E 端）常与时钟信号连接，因此若在电路图中看到时钟信号接入了使能端，则这样结构很可能是锁存器。初看之下，这样的结构似乎没有道理，为什么一个开关加上一个非门就能存储数据了？其实这里面涉及一些电学知识，这里就不过多阐述了，我们是为了理解电路图，只需记住这样的结构就行了。

示例

有了上面的基本知识后，我们可以尝试解读一下 CPU 电路图了，看看能不能还原其中的逻辑。以下是 6502 ALU 一个计算单元的电路图（来自 6502 Schematic.pdf），ALU 由 8 个类似的单元串联组成，可完成 8 位二进制数（一个字节）的计算。



根据上面的知识，可以把相应的逻辑门标注出来：



其中只有蓝色框标记的部分不是基础逻辑门，但是应用非门的分析方法，不难得出它是一个与门和或非门的组合：



弄清楚之后，再把方块标记的部分转化成逻辑门表示：



未转化成逻辑门的 NMOS 相当于开关，负责数据通路的选择。其中 x1 ~ x5 是输入选择，x6 ~ x12 负责运算选择，x14 ~ x15 负责输出目的地选择。去除掉这些选择器后，这个 ALU 计算单元的纯逻辑门电路如下：



可以看出，这个单元包含一个全加器，并同时可以进行 “与”、“或”、“异或” 运算。

总结

文本介绍了 NMOS 及提示了逻辑门是如何使用 NMOS 构建的，并用一个实际的例子演示了如何从 NMOS 电路图还原逻辑电路。希望本文可以满足你的好奇心，如果大家对 6502 其它部分的原理也感兴趣，欢迎阅读我的后续文章。

参考

• balazs schematic
• 【硬核科普】带你认识CPU第00期——什么是MOSFET