第2部分数位逻辑基础.ppt
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,
