1.5 數(shù)字電路基礎(chǔ)

集成電路（Integrated Circuit，IC）的基本組件是由晶體管構(gòu)成的邏輯門。在數(shù)字系統(tǒng)中，存在3種基本邏輯運算，分別為AND（與）、OR（或）和NOT（非）。

1.5.1 邏輯門

1.與門

如果XY =Z，Z =1，則 X =1且Y =1，否則Z=0。其中，X和Y是開關(guān)，Z是燈，X = 0、Y = 0意味著開關(guān)斷開，燈滅時Z=0，燈亮?xí)rZ=1。與邏輯運算可用圖1-2所示電路表示，2輸入與門真值表見表1-4，表1-4說明了圖1-2的操作。

圖1-2 與邏輯運算

表1-4 2輸入與門真值表

2.或門

如果X+Y=Z，Z =1，則X=1或Y=1。

或邏輯運算可以用圖1-3所示電路表示，在圖1-3中，當(dāng)兩個開關(guān)關(guān)閉時燈熄滅，當(dāng)至少有一個開關(guān)關(guān)閉時燈亮。2輸入或門真值表見表1-5。

圖1-3 或邏輯運算

表1-5 2輸入或門真值表

3.非門

非邏輯運算執(zhí)行補碼運算，將1轉(zhuǎn)換為0，0轉(zhuǎn)換為1，也稱為反相器，非X由表示。非門電路符號如圖1-4所示，非門真值表見表1-6。

圖1-4 非門電路符號

表1-6 非門真值表

4.與非門

2輸入與非門電路符號如圖1-5所示，與非門也可由與門和非門構(gòu)建，2輸入與非門真值表見表1-7。

圖1-5 2輸入與非門電路符號

表1-7 2輸入與非門真值表

5.或非門

2輸入或非門電路符號如圖1-6所示，或非門由或門和非門組成，2輸入或非門真值表見表1-8。

圖1-6 2輸入或非門電路符號

表1-8 2輸入或非門真值表

6.異或門

2輸入異或門電路符號如圖1-7所示，異或門由⊕表示，2輸入異或門真值表見表1-9。

圖1-7 2輸入異或門電路符號

表1-9 2輸入異或門真值表

7.同或門

2輸入同或門電路符號如圖1-8所示，同或門用⊙和XNOR表示，2輸入同或門真值表見表1-10。

圖1-8 2輸入同或門電路符號

表1-10 2輸入同或門真值表

1.5.2 IC分類

晶體管是IC的基本組件，晶體管和IC如圖1-9所示。晶體管就像是集成電路中的開關(guān)，一個集成電路由100個至數(shù)百萬個晶體管制成。

IC根據(jù)門數(shù)可分為以下幾類。

· 小規(guī)模集成電路（Small Scale Integrated Circuits，SSIC）：指少于10個門的IC（或元件數(shù)小于100個）。

· 中等規(guī)模集成電路（Medium Scale Integrated Circuits，MSIC）：指包含10～100個門的IC（或元件數(shù)為100～999個）。

· 大規(guī)模集成電路（Large Scale Integrated Circuits，LSIC）：指包含100～10 000個門的IC（或元件數(shù)為1 000～99 999個）。

· 超大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integrated Circuits，VLSIC）：指包含超過10 000個門的IC（或元件數(shù)大于100 000個）。

圖1-9 晶體管和IC

1.5.3 寄存器

寄存器是保存中央處理器（Central Processing Unit，CPU）內(nèi)部信息的可讀/可寫存儲器。寄存器的每一位由一個D觸發(fā)器構(gòu)成，D觸發(fā)器如圖1-10所示，D觸發(fā)器真值表見表1-11。

圖1-10 D觸發(fā)器

表1-11 D觸發(fā)器真值表

1.D觸發(fā)器操作

如圖1-10所示，如果D觸發(fā)器的輸入是D=0，施加時鐘脈沖（CLOCK）后輸出Q為0；如果D=1，則施加時鐘脈沖后輸出Q為1。施加時鐘脈沖后，數(shù)據(jù)將被存儲在D觸發(fā)器中。寄存器使用多個具有公共時鐘脈沖的D觸發(fā)器，4位寄存器如圖1-11所示。

如果一個寄存器有32個D觸發(fā)器，且它們使用同一個公共時鐘，那么該寄存器被稱為32位寄存器。

圖1-11 4位寄存器

2.三態(tài)門器件

普通的門電路只有兩種輸出狀態(tài)——高電平和低電平，三態(tài)門器件則有第3種狀態(tài)——高阻態(tài)。三態(tài)門器件示意如圖1-12所示，控制線控制三態(tài)門器件的操作。

圖1-12 三態(tài)門器件示意

如果控制線電平為0，則輸入和輸出之間沒有連接，輸出對外呈現(xiàn)高阻態(tài)。如果控制線電平為1，則輸出電平等于輸入電平。

1.5.4 多路復(fù)用器和譯碼器

1.多路復(fù)用器（Multiplexer，MUX）

MUX有n個輸入和一個輸出。圖1-13為2×1 MUX，如果S=0，輸出為A，如果S=1，則輸出為B。圖1-14為8×1 MUX，表1-12為8×1 MUX可實現(xiàn)的功能，S2、S1、S0為MUX的輸入切換選擇。

圖1-13 2×1 MUX

圖1-14 8×1 MUX

表1-12 8×1 MUX可實現(xiàn)的功能

2.譯碼器

譯碼器的功能是在譯碼器的輸出處生成輸入的最小項。

2×4譯碼器有2個輸入和4個輸出，輸出表示輸入的最小項。圖1-15為2×4譯碼器的框圖，表1-13為2×4譯碼器真值表。

圖1-15 2×4譯碼器的框圖

表1-13 2×4譯碼器真值表