数字电路课程中的三条主线

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1、数字电路课程屮的三条主线—建设《数字电路》精品课程辅导材料之一网络与硬件教研家林文忠摘要：数字电路课程涵盖的内容很多，集成电路中授热门的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1.引言在认识领域，大家对逻辑关系已经很熟悉，逻辑关系

2、表达式是表示逻辑关系的常川方法。人们只要给岀一纽逻辑输入变量的值，通过人工的逻辑运算，就能获得相应的逻辑结果。过去人们常捉出冇没冇一种物理的方法，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，直到电了技术的出现，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

3、忆功能，电路的方法乂如何实现，各个输入条件与其输岀结果间又如何谐调、有序、系统地工作呢，带着这些问题进行下而的探讨。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。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”。在数字电路屮，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

4、模拟电路课程屮，我们知道三极管有三种T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；而在数字电路屮，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冇高电平（“1”）和低电平（“0”）两种取值。通过若干个工作在截止和饱和状态的三极悖的电路组合，能够完成畧辑代数中的与（F=A・B）、或（F=A+B）、非（F=A）三种基本逻辑运算⑴。这就是逻辑关系的电路实现，它具有重人的意义，说明只耍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

5、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、或电路运算小只有两个变量，同样的,多变最的与、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，自然界或者说现实牛活中，任何一个逻辑关系，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•或表达式实现逻緝关系为例，如果电路能够提供足够多的与门和或门的话

6、，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，交给芯片制作厂商，制成专用功能芯片（ASIC）。3.记忆功能的电路实现上述讲到的逻辑关系的电路实现，主要

7、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，不貝有记忆的功能。貝-有记忆功能的电路，在输入条件发生改变或者消失Z后，电路的输出结果也可以不发纶改变。其电路原理，也是利用与■或■非这样的基木电路，将输出结果反馈到输入端而构成的⑵。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屮发生作用，通常触发器中引入时钟，以便在时钟的节扌n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

8、路需耍记忆功能，它们都是由各种触发器构成的，这一类的电路也称为吋序逻辑电路。在数字系统屮，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，其地址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，在硕布线CPU屮，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对川可编程逻辑阵列芯片实现,可以利川编程逻辑阵列芯片设计任