数字电路课程中的三条主线

1、数字电路课程中的三条主线_建设数字电路精品课程辅导材料之一网络与硬件教研室 林文忠摘要：数字电路课程涵盖的内容很多，集成电路中最热门的CPU、存储器、可编程逻辑阵列这三项技术，都与数字电路有着密切的关系，其重要性不言而喻。本文从贯穿数字电路课程的逻辑关系的电路实现、记忆功能的电路实现、数字系统结构这三条主线，来把握数字电路的核心内容和其关联细节，以期对数字电路的认识和学习有指导作用。关键词：逻辑关系、记忆功能、电路实现、门电路，触发器、数字系统4 / 41 引言在认识领域，大家对逻辑关系已经很熟悉，逻辑关系表达式是表示逻辑关系的常用方法。人们只要给出一组逻辑输入变量的值，通过人工的逻辑运算，就

2、能获得相应的逻辑结果。过去人们常提出有没有一种物理的方法，能够实现逻辑变量以物理量的方式设定，并通过其内部的机构，产生一个代表其结果的物理量输出这样的问题。这个问题的解决方法，经过不断的追求、探索和实践，直到电子技术的出现，特别是集成电路的出现和发展，这种实现逻辑关系的物理方法，终于能以高速、低空间密度、极低的能耗的电路得以实现。上述的逻辑结果，一旦输入条件消失，输出也随之消失，如何保持住这个输出结果，即所谓的记忆功能，电路的方法又如何实现，各个输入条件与其输出结果间又如何谐调、有序、系统地工作呢，带着这些问题进行下面的探讨。2逻辑关系的电路实现分析与设计逻辑关系的数学基础是布尔代数或逻辑代数

3、。布尔的逻辑代数理论建立在两种逻辑值“真True”、“假False”和三种逻辑关系“与AND”、“或OR”、“非NOT” 所构成的代数系统，用“1”代表“真True”，用“0”代表“假False”。在数字电路中，通常是直流供电，比如在5V（VC）的供电系统中，用“1”表示高电平5V，用“0”表示低电平0V（地）。在模拟电路课程中，我们知道三极管有三种工作状态，即截止、放大和饱和，其输入信号和输出信号可以在地信号到电源电压VC之间连续地改变；而在数字电路中，三极管只工作在截止（关断）和饱和（导通）两种工作状态，其输入信号和输出只有高电平（“1”）和低电平（“0”）两种取值。通过若干个工作在截止和

4、饱和状态的三极管的电路组合，能够完成逻辑代数中的与（F=A·B）、或（F=A+B）、非（F=）三种基本逻辑运算（1）。这就是逻辑关系的电路实现，它具有重大的意义，说明只要给逻辑变量赋以的高低电平，就有一个表示逻辑运算结果的高低电平的产生。也就是说，给逻辑变量赋以一个（或一组）逻辑0或者1，经电路运算关系，就获得一个0或者1的逻辑结果。上述提到的与、或电路运算中只有两个变量，同样的，多变量的与、或运算也可以用电路实现，只是用到的三极管更多一些，电路更复杂一些。与逻辑运算的电路实现称为与门电路，或逻辑运算的电路实现称为或门电路。逻辑代数告诉我们，自然界或者说现实生活中，任何一个逻辑关系，

5、不管它多么复杂，都可以用与-或表达式，或者用或-与表达式来表示。以用与-或表达式实现逻辑关系为例，如果电路能够提供足够多的与门和或门的话，那么再复杂的逻辑关系（表达式）都可以用电路的方式加以实现。认识了逻辑关系的电路实现之后，我们就可以理解为什么现在可编程逻辑阵列芯片得到如此迅速的发展和广泛应用。可编程逻辑阵列芯片具有与阵列和或阵列，各阵列的门数依不同的芯片不同，用户借助设计语言和编程工具，来形成芯片的电路功能。比如，我们可以用可编程逻辑阵列芯片来设计CPU中的算术逻辑单元、CPU中控制器的指令译码器等。也可将自己设计的逻辑电路，交给芯片整理厂商，制成专用功能芯片（ASIC）。3记忆功能的电路

6、实现上述讲到的逻辑关系的电路实现，主要针对与组合逻辑电路，其特点是输入条件改变的话，输出结果也发生改变，不具有记忆的功能。具有记忆功能的电路，在输入条件发生改变或者消失之后，电路的输出结果也可以不发生改变。其电路原理，也是利用与-或-非这样的基本电路，将输出结果反馈到输入端而构成的（2）。构成记忆功能的单元电路称为触发器，在数字电路中，有多种类型的触发器，为了让记忆结果在适当的时刻在电路中发生作用，通常触发器中引入时钟，以便在时钟的节拍下，协调电路的工作。数字系统及计算机中，像寄存电路、移位电路、计数电路、序列信号发生电路等很多类型的电路需要记忆功能，它们都是由各种触发器构成的，这一类的电路也

7、称为时序逻辑电路。在数字系统中，一个具体的电路，往往是组合逻辑电路和时序逻辑电路一起组成的。比如对于静态存储器，其位置译码就是由与门构成的全译码组合逻辑电路；而它的记忆单元（存储单元）就是由触发器组成。再比如，在硬布线CPU中，控制器的译码控制部件产生操作命令，就是由指令操作码译码器（组合逻辑电路）和表示CPU机器周期的时序电路构成。时序逻辑电路也同样可用可编程逻辑阵列芯片实现，可以利用编程逻辑阵列芯片设计任意进制的计数电路、任意位数的移位电路等。在带有乘法器的CPU中，乘法运算的实现就是算术逻辑单元、移位电路和计数电路构成的。再比如，可以利用可编程逻辑阵列芯片来设计微指令方式CPU的控制器，

8、如上所述，可编程逻辑阵列芯片在数字电路中以及应用系统中占有非常重要的位置，通过使用可编程逻辑阵列芯片，对组合逻辑电路和时序逻辑电路贯穿起来，对数字电路的认识和实践都能起很好的作用。可编程逻辑阵列芯片的开发软件有VHDL语言、ABEL语言等，都可以在网络中下载，实验室也有一些常用芯片的编程工具，可以做一些综合设计性实验。4数字系统结构以上讲述的是独立功能的电路，数字系统是由一些独立功能电路综合而成的，可电路部分能够有机、协调地进行处理、运算和信息传递，不会出现停滞和数据冲突，很重要的还有一个三态门的概念。前面讲到，一个电路的输出要么1状态要么0状态是不严密的，电路中还有第三种状态即高阻状态。当电

9、路处于高阻状态时，其输出和其他电路是隔离开的，好像该电路不存在一样。有了三态门结构，不同芯片的输出就可以使用同一个总线，它们分时使用总线，而不产生数据冲突。在CPU内部、CPU与外部电路连接时，大量地使用着总线技术，达到信息资源的多通道来往和共享。三态门是由电路中的片选信号控制，在某一时刻，数字系统中某个电路的片选信号有效，该电路就被选中，这样系统就能按一定的时钟节拍有机协调地工作。5电路中必须注意的若干问题当然上述用电路实现逻辑问题都是一些理想化的情况。实际上电路有其自身的一些特性，这些特性将影响逻辑功能的实现。常见的问题有电平问题、信号传递的延时问题、带负载能力问题、电能损耗问题等。比如在

10、+5V系统中，所谓的逻辑1做不到对应的就是准确的5V，0逻辑对应的也不是0V，而是允许有一个范围，就是噪音容限；比如由于TTL三极管或着MOS管的电容等分布参数的存在，信号在经过门电路需要花一定的时间，由于经过的门电路个数的不同，延时时间不同，特别在高频电路中，造成逻辑错误；比如总线的带动的负载如果过大，总线上的电平将发生变化，造成逻辑错误等，这些因素都必须考虑周全，才能保证数字系统可靠地工作。6结束语以上，为了便于同学们的认识和学习，就逻辑关系的电路实现、记忆功能的电路实现、数字系统结构这三个数字电路课程中的重要问题进行了粗浅的探讨。当然，数字电路的核心问题还应包括电路的整理工艺、能耗控制等多方面的问题，同时数