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1、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
2、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
3、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,
4、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
5、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
6、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
7、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,