逻辑电路(逻辑电路)

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逻辑电路(逻辑电路)，今天达达兔游戏网给大家整理了详细的逻辑电路(逻辑电路)介绍，希望这篇文章对你有参考价值，我们一起关注一下逻辑电路(逻辑电路)。
        计算机由非常多的简单逻辑单元组成， 即包含着千万以上个MOS晶体管。
本篇主要介绍MOS晶体管的工作原理和基于MOS晶体管实现逻辑门，以及逻辑门组合构建计算机的组成单元。
MOS晶体管
我们知道电路中电子的流动是通过开关来控制的，为了电子流动，电路中的各个单元需要形成回路，而通过开关的开闭来影响电路的闭合和断开，MOS晶体管就是这个开关。
分为n型和p型MOS。
n型MOS示意图。c图是简化版，上部的横线代表正极，下部的三角形代表接地.



如果在栅极G加入电压，则MOS管导通，形成通路；栅极电压为0，则MOS管断开，通路断开。
p型MOS管正好相反
两种型号的简化图如下：



因为n型和p型的相反性质（也可以说互补性质），如果在电路中同时包含两种型号的晶体管，则这种电路称为CMOS电路
即互补金属氧化物半导体。
逻辑门
我们知道了n型和p型MOS的运行机制，我们就可以用这两种组合实现逻辑门了。
非门（NOT）
首先实现的是非门（因为之后所有的逻辑门实现都需要和非门相组合）



或门和或非门（OR 和NOR）
或非门就是和或门相反的门，即两个输入任意一个不为0，结果为0，两个输入为0，则为1.
或非门的实现（先实现或非门，然后和非门组合形成或门，个人觉得原因是或非门更容易直接实现）
使用两个n型和两个p型组合形成或非门两个p型串联在一个正极端，两个n型各连接一个接地端,输出端在中间，再和非门组合形成或门



与门和与非门（AND和NAND）
与非门也是和与门相反的门（两个输入都为1时结果为0，其余情况为1），同样先实现与非门，再和非门组合形成与门。
与非门是两个p型MOS各连接一个正极，然后串联在一个接地端上，输出端在中间。



了解了3种逻辑门其实是5种的实现后，我们可以简化一下各逻辑门的表示



摩根定律
非P 且 Q = 非 P 或 非 Q
非P 或 Q = 非 P 且 非 Q
电路图表示



多输入门
之前的实现都是两个输入，当然也可以有超过两个输入。实现方式本质和两个输入是相同的。
组合逻辑
我们将基本的逻辑门进行组合就可以构建出不同的逻辑结构，也就是构建计算机微结构的结构单元。
逻辑结构又分为两类，一类是可以存储信息的，一类是不可以存储信息的（决策单元，通常叫做组合逻辑结构）。
组合逻辑结构的输出状态完全取决于当前逻辑结构的输入（不依赖任何历史信息，不具备记录历史信息的能力）。
三种常用的组合逻辑结构
译码器：（n个输入，2^n个输出）



一般描述，在特定输入模式下，相应的输出线被置位。即对任一的输出线，只在一种情况下置为1。
译码器主要用于解释一个二进制数。
多路复用器（MUX）
Mux的功能就是从多个输入中选择一个，并将其与输出相连。
多路复用器通常由2^n个输入，1个输出和n个选择线组成



全加器
二进制加法原理和十进制类似。唯一不同是二进制加法是满二进一。
所以二进制加法需要三个单元的参与，二进制数位ai和bi和一个来自前一列的进位（carry）







可编程逻辑阵列（PLA）
包含一组与门（AND阵列）和一组或门（OR阵列）。
如果逻辑函数输入数目是n，则与门数量为2^n，而或门的数目取决于真值表的输出数目。实现算法是将特定的与门的输出和对应的或门输入相连逻辑电路，对应关系和真值表相关。通过“编程”多个与门（不同的输入组合）和多个或门（不同的输出）之间的连接关系逻辑电路，可以实现我们期望的逻辑函数（或功能）。这就是编程。



逻辑完备性
通过PLA可以实现任何形式的逻辑，但是PLA只包括了（NOT AND OR 3中逻辑门）。即只要有足够的基本逻辑门，我们可以实现任何逻辑函数，因此{NOT，AND，OR}的逻辑门集合是逻辑完备的
存储单元
可以存储信息的逻辑电路
R-S锁存器
最简单的实现，两个NAND门互连，一个NAND门的输出是另一个的输入。
逻辑是这样的，如果S和R都为1逻辑电路，锁存器处于静态，这时候逻辑电路的状态是不会发生变化的，即输出a不会改变（可以自己试试a分别为0和1的情况）。
S为0，R为1，则锁存器输出为1，这时候把S置为1不会改变输出结果，通过这种方式，我们就把输出给保存下来了。
S为1，R为0，这时候锁存器输出为0。
注意，S和R不要同时为0，因为这时输出a和b同时为1，锁存器的状态将无法保证，这取决于MOS的电气特性了（无法从逻辑层面来保证，而电气特性层面已经不属于目前的层次了）
门控D锁存器
有必要对锁存器置1和置0操作采取一定的控制措施



WE代表可写Write Enable,当WE为1时，锁存器的输出值等于输入值D，当WE为0时，S和R均为1，这时候锁存器状态不变。
我们通过把WE设置为1，将D做为输入存入锁存器，再把WE设置为0，这样D就存在锁存器中了。
寄存器（register）
寄存器是这样一种结构，它将多个bit组合成一个独立单元，寄存器的bit宽度可大可小
为每位bit标识一个数字，最右边是bit[0]，从右到左依次递增，对于n个bit，最左边是bit[n-1]从左到右还是从右到左是随意的，也可以最左边为0，向右递增
A[x:y]表示第x位到第y位之间所有bit位组成的数。



内存
内存是由一定数目（通常非常大）的“位置”组成，每个位置可以单独识别并独立存放1个数据，通常，称位置识别符为“地址”，
存储在各个位置中的bit数目为“寻址能力”
寻址空间：
内存中可独立识别的位置总数为寻址空间（有多少个地址）。
寻址能力：
每个地址中包含的bit数目。
比如一个16MB大小的内存，寻址能力是8-bit（1个字节），则总bit数为 16*2^20*8。
大多数内存都是按照字节寻址的（和原先的计算机在数据处理或接收键盘输入值时，将其转化为8-bit的ASCII码,这样就刚好占用一个存储位置，无疑方便了读写和修改操作）
时序电路
组合逻辑电路能处理数据，但是不具备存储信息的能力，而上面用于存储的结构又不具备处理数据的能力。这样时序电路就出现了
这种逻辑电路的输出即和当前电路输入有关，又和当前电路的状态相关，这就是“时序逻辑电路”。



时序逻辑电路主要用于实现有限状态机，有限状态机被广泛应用于各种工程领域。在冯洛伊曼体系结构中，有限状态机控制着整个计算机的工作流程，它就是计算机的心脏
有限状态机：
状态是系统各相关的部件在特定时刻的一个快照，不同的时刻，系统有不同的状态
5个组成部分 状态（有限数目）、外部输入（有限数目）、对外输出（有限数目）、任意状态间的迁移（显式注明）、对外输出操作（显式注明）
状态集合表示系统可能处于的所有状态，状态迁移表示从一个状态转换到另一个状态所需要的各种条件
状态图：有限状态机的常用表达方式



状态节点代表一个系统状态，连线和箭头代表一个状态到另一个状态的转换，如图包括3个状态和6个状态转移。
系统的输出既可以由当前状态唯一决定，也可以由当前状态和当前输入共同决定
时钟：
状态转移的触发机制，通常，状态转移是通过时钟电路来触发的。
所谓时钟就是这样一个信号，低电平0和高电平1交替变换



时钟周期是指时钟信号不断变换的间隔时间。
通过时钟周期变换，可以触发不同的状态。然后利用锁存器和组合逻辑单元合在一起来实现各种状态的变换。
呼，这一章内容相对就要复杂和多一些了。

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