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第 2 章 數位邏輯基礎

第 2 章 數位邏輯基礎. 目標. 瞭解 基本原理和紮實基礎 理論與觀念的論述 電腦如何工作於低階的環境 避開 複雜度 實現細節 電路設計規則. 電氣術語. 電壓 可量化的電氣特性 電位差量測 單位：伏特（ volt ） 電流 可量化的電氣特性 沿著路徑的電流量測 單位：安培（ amp ）. 電氣特性. 電壓類似水壓 電流類似水流. 電壓. 使用伏特電表量測電壓 量測兩個端點的電壓差 量測電壓 假設一點為 0 伏特（稱為地線） 另一點則為電壓值. 實作上. 典型的數位電路工作於 5V 的環境 兩條電源線會被接到晶片接腳

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第 2 章 數位邏輯基礎

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Presentation Transcript

  1. 第 2 章數位邏輯基礎

  2. 目標 • 瞭解 • 基本原理和紮實基礎 • 理論與觀念的論述 • 電腦如何工作於低階的環境 • 避開 • 複雜度 • 實現細節 • 電路設計規則

  3. 電氣術語 • 電壓 • 可量化的電氣特性 • 電位差量測 • 單位：伏特（volt） • 電流 • 可量化的電氣特性 • 沿著路徑的電流量測 • 單位：安培（amp）

  4. 電氣特性 • 電壓類似水壓 • 電流類似水流

  5. 電壓 • 使用伏特電表量測電壓 • 量測兩個端點的電壓差 • 量測電壓 • 假設一點為0伏特（稱為地線） • 另一點則為電壓值

  6. 實作上 • 典型的數位電路工作於 5V 的環境 • 兩條電源線會被接到晶片接腳 • 地線（0V） • 電源（5V） • 但數位邏輯圖習慣不顯示這兩條電源線

  7. 電晶體 • 數位電路的基本元件 • 控制電氣訊號的微小開關，具有三個外部連線： • 射極（E極） • 基極（B極） • 集極（C極） • 小電流輸入可控制較大電流輸出 • B-E極之間的小電流可以控制C-E極之間較大的電流。

  8. 電晶體運作情形

  9. 布林邏輯 • 數位電路的數學基礎 • 三個基本功能：and、or、not

  10. 數位邏輯 • 使用電晶體建構布林函數的實現 • 5V代表布林1 • 0V代表布林0

  11. 使用電晶體建構布林函數not

  12. 邏輯閘 • 硬體元件 • 積體電路（IC） • 布林函數的實現電路 • 降低複雜度，提供布林函數的反向邏輯閘 • Not 讓訊號反向 • Nand 代表 not and • Nor 代表 not or

  13. Nand和Nor邏輯閘的真值表

  14. 邏輯閘符號

  15. 內部邏輯閘結構範例（Nor閘）

  16. 邏輯閘技術 • 最流行的技術是TTL（電晶體−電晶體邏輯） • 直接連線（將邏輯閘輸出連接到另一個閘的輸入） • 單一輸出可推動多個輸入 • 稱為扇出數 • 通常不會太大

  17. TTL邏輯閘的互連範例 • 使用兩個邏輯閘建構出 and邏輯 • Nand閘的輸出直接連線到not的輸入

  18. 邏輯電路圖 • 這個電路圖建構出什麼邏輯？

  19. 兩種描述方法 • 布林函數 • 常用於電路設計 • 使用更少的邏輯閘，建構出等效的電路圖。 • 真值表 • 常用於電路偵錯 • 列出所有輸入和輸出的關係表

  20. 使用布林函數描述電路 • A點值為 not Y • B點值為 Z nor (not Y)

  21. 使用布林函數描述電路（Cont.） • 輸出為 X and （Z nor (not Y)）

  22. 使用布林函數描述電路（Cont.） • 輸出也可以等效於 X and not（Z or (not Y)）

  23. 使用真值表描述電路 • 表格列出所有可能的輸入和輸出之關係 • 也可以列出任何中間點的狀態值

  24. 避開Nand/Nor運算 • 電路習慣使用Nand和Nor閘 • 但人卻比較習慣使用and和or • 電路圖或真值表都可以使用布林函數來表示： X and Y and (not Z)

  25. 實作上 • 一個邏輯閘需要一些連線 • 晶片提供接腳，進行外部連線。 • 結果： 每個晶片內具有多個邏輯閘

  26. 邏輯閘範例 • 7400系列晶片 • 接腳間隔0.5英吋長 • TTL邏輯 • 5V電源 • 晶片內具有多個邏輯閘

  27. 7400系列邏輯閘範例 • 接腳7連接地線，接腳14連接電源線

  28. 狀態保持電路 • 比組合邏輯更複雜 • 輸出會依據上一個輸入和目前的輸入，而有所變動

  29. 狀態保持電路範例 • 基本的正反器 • 類似電腦的電源按鍵（彈跳開關） • 新的輸入會導致輸出反向 • 第一次正緣輸入（由0變成1）時，正反器會打開輸出 • 第二次正緣輸入（從0變成1）時，正反器會關閉輸出

  30. 正反器的輸出

  31. 時序變遷圖

  32. 二進位計數器 • 計算輸入時脈的數量 • 輸出為二進位 • 內有重置接腳，可將計數器歸零 • 範例：3位元的計數器

  33. 計數器範例

  34. 時脈 • 時脈就是以規則的速率順序，不斷地送出0和1訊號 。 • Hz為單位（每秒週期數） • 週期性的時脈訊號為 0 1 0 1…

  35. 解多工器 • 使用輸入線，輸入二進位數值 • 以選擇其中一個輸出

  36. 解多工器圖

  37. 順序執行電路範例 • 依照順序執行下列動作： • 電池測試 • 打開電源和記憶體測試 • 啟動磁碟旋轉 • 打開CRT電源 • 讀取磁碟開機區到記憶體 • 啟動CPU

  38. 順序執行電路動作定義

  39. 迴授 • 解多工器的最後一個輸出接腳F，會迴授到and的輸入。 • 容許更多的控制 • 範例：F為1時，計數器就停止計數 • 布林函數： Clk and (not F)

  40. 停止迴授

  41. 備用邏輯閘 • 因為晶片內具有多個邏輯閘，因此可能尚未使用某些邏輯閘。 • 善用多出的備用邏輯閘，有機會節省所使用的晶片數量。 • 只要把nand閘的一隻輸入接腳接到 5V，就可以把nand閘當作反向閘（not閘），不再需要7404晶片。

  42. 實作考量 • 電力消耗（電線必須能夠容納充足的電力） • 散熱問題（晶片不可過熱） • 時序（一旦輸入變動，則邏輯閘必須一段時間才能穩定輸出） • 時脈同步（時脈訊號必須同時到達晶片）

  43. 時脈偏移圖

  44. IC分類

  45. 階層概念

  46. 結論 • 電腦由數位邏輯電路所組成 • 最基本的建構區塊為邏輯閘 • 數位電路可以使用下列描述： • 布林函數（大部分用於設計） • 真值表 （大部分用於除錯）

  47. 結論(Cont.) • 時脈”活化” 電路，執行順序動作。 • 迴授讓輸出可以控制程序 • 實作時的考量通常包含： • 電力消耗和散熱問題 • 時脈偏移和時脈同步

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