AZ.1.1.3 数字电路基础

数字电路基础

数字电路

利用两种不连续的电位来表示信息的电子电路

1 = 电源电压 = H / 高电平
0 = 接地电压 = L / 低电平
大部分数字电路是基于叫做 MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管）的场效应管实现的

数值表达

数字电路的设计基于二进制数
有符号二进制数
- 补码表示法，最高位为 0 时是正数，最高位为 1 时是负数
- 如何取补码？全反，+1
- 设计初衷：相加时无需考虑符号的处理，能够和其相反数相加通过溢出从而使计算机内计算结果变为 0 的二进制码

比特和字节

二进制中的一个数字位称为 binary digit，简称比特（bit）。一个字节（byte）代表 8 比特
绝大多数 CPU 都是以字节为单位处理数据的
内存地址大多也是为每字节赋予一个地址，称为字节编址方式

MOSFET 的结构

MOSFET 有 P 型 MOSFET 和 N 型 MOSFET 两种。

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MOSFET 有源极（Source，电流输入）、漏极（Drill，电流输出）和栅极（Gate，电流控制）3 个电极

Quote

下面以 N 型 MOSFET 为例说明其工作原理。在不给控制电流的栅极施加电压时，源极和漏极间填充了异种半导体材料，因此电流无法流过。当给栅极施加正电压时，源极和漏极中 N 型半导体材料里的自由电子被栅极吸引，使通道中充满电子，源极和漏极间的电流从而能够流动
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Note. 具体可参考 SI100B 笔记

N 型 MOSFET 在栅极施加电源电压（H）时电流可以流通，接地（L）时电流无法流通。反之，P 型 MOSFET 的栅极接地时电流可以通过，施加电源电压时电流无法流过。

CMOS

这种持有相反特性的 N 型 MOSFET 和 P 型 MOSFET 互补使用形成的门电路称为 CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）。CMOS 可以用来制作各种各样的逻辑电路。

逻辑运算

逻辑运算是只用“真”（对应 H / 1）、“假”（对应 L / 0）二值进行的运算

三种基本运算：AND, OR, NOT

CMOS 基本逻辑门电路

两种 MOSFET

N 型 MOSFET	P 型 MOSFET

施加电源电压可流通，接地无法流通	接地可以流通，施加电源电压无法流通

NOT 门的 MOSFET 级实现

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MIL（美军标准）逻辑符号

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具体实现见 SI100B 笔记及 Turing Complete（逃

存储元件

锁存器（Latch）

简单的循环回路锁存器

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Data Latch / D-Latch

AKA. 通过型锁存器

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4 个 NAND 门构成，两个输入（Data / Enable）

Enable = 0
- 输出维持前一个数据
Enable = 1
- 输出更新为 Data

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SR Latch

触发器（Flip-Flop）

D Flip-Flop

D 锁存器和 NOT 门组合，可以实现依据时钟信号同步并保存数据的 D 触发器

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拥有两个输入（Data / Clock），两个输出

Clock = 0
- Master 启用：读取当前输入并传递给 Slave
- Slave 禁用：不会影响 Slave 本身的值
Clock = 1
- Master 禁用：此时的输入不会导致 Slave 接收到的数据变化
- Slave 启用：读取之前的 Master 值并成功更新输出
检测时钟信号上升

建立时间 / 保持时间

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D 触发器是由时钟信号的边沿来触发数据的存储动作的。因此，需要在时钟沿前后一段时间内将输入信号稳定下来。如果在时钟变化时输入信号也在变化，很可能无法正确存储数据。
因此，为了让 D 触发器正确存储数据，需要有建立时间（setup time）和保持时间（hold time）两个基本条件。

建立时间是在时钟变化前必须稳定输入信号的时间，而保持时间是时钟变化后必须稳定输入信号的时间。

图 1-32 说明了建立时间和保持时间的关系。同时遵守建立时间和保持时间，就可以让 D 触发器正确的存储数据。
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组合电路和时序电路

组合逻辑电路是指输出值仅由输入信号的状态决定的电路
- 输出不依赖于过去的输入
- 不含有存储元件
时序电路是指输出值同时依赖于现在和过去输入信号的逻辑电路
- 含有用于保持输入的存储元件

时钟同步设计

一种数字电路的设计技术，区别现在和过去

时钟信号：周期性在 H / L 之间变化
- 时钟变化边沿（上升沿或下降沿）之前被称为过去，之后被称为现在
由时钟边沿触发同步更新电路的状态