第3章-My数位学习.PDF

第 3章 數位邏輯元件  3.1數位系統  3.2 基本數位邏輯元件  3.2.1及閘  3.2.2或閘  3.2.3反閘  3.2.4 互斥或閘  3.2.5反及閘  3.2.6反或閘  3.2.7反互斥或閘  3.2.8 緩衝閘  3.3數位系統之設計與實作 Copyright©滄海書局 3.1數位系統 前面曾提及，由於硬體電路實作的限制，數位系統(或稱數位電 路) 一般使用二進制來表示所有的訊號，也就是說輸入/ 輸出只有“0” 與“1” 兩種值。市面上常用的TTL 邏輯電路，將0 伏特到0.8 伏特 之間的電壓定義為「邏輯0 」；而2 伏特至5 伏特之間的電壓定義為 「邏輯1」；這兩個範圍之間的電壓(0.8 伏特～2 伏特) 則當作「間隔 電壓」或「禁區電壓」。如果一個TTL 電路中，某點的電壓值為4 伏 特，則表示該點為邏輯 1 ；如果某點的電壓值為0.5 伏特，則表示該點 為邏輯0 ；如果某點的電壓值為1.5 伏特，則是一個錯誤的訊號。 在標準的數位電路中，由於電路上的訊號只可能是“0” 或“1” ， 所以元件的輸入端訊號與輸出端訊號，在任何時刻應只有兩種可能數 值：0 或 1 。 Copyright©滄海書局 圖3.1 是一個TTL 電路可能的輸出電壓波形，其中「邏輯 1」的理想電壓是+5 V ，又稱為「高電位」訊號或「高準位」訊號， 如圖中線段BC 與FG ；「邏輯0 」的理想電壓是0 V ，又稱為「低電 位」訊號或「低準位」訊號，如圖中線段DE 與HI 。當由低電位變成 高電位稱為訊號的「正緣」或「上升緣」(positive edge or rising edge) ， 如圖中線段AB 與EF ；而由高電位變成低電位則稱為訊號的「負緣」 或「下降緣」(negative edge or falling edge) ，如圖中線段CD 與 GH 。 Copyright©滄海書局 要注意的是，由於數位系統使用一連串的0 或 1 的位元(bit) 來表 示並儲存輸入/ 輸出訊號，所以系統內的運算處理過程也應以二進制 0 或 1 的方式進行。系統設計者需要決定所使用的0 或 1 代表什麼資 訊、如何解釋、如何透過輸入裝置將輸入訊號輸入系統中(例如：按鍵 被按住表示輸入 1 ，按鍵被放開表示輸入0) 、系統如何執行所需0 與 1 的計算、如何將結果展示於輸出裝置上(例如：輸出0101 時，螢幕秀 出數字5 ；輸出1001 時，螢幕秀出數字9 。或是輸出0 表示某個 LED 燈要點亮，輸出 1 表示某個 LED 燈要熄滅) 。換句話說，如圖3.2 所 示，所謂的數位系統設計就是設計一個電路系統，將輸入的一連串0 或 1 的位元串流訊號，按照所規劃的動作進行運算，最後產生另一串 所需要的0 或 1 位元串流輸出訊號。上述的說明，算得上是數位系統 的巨觀想法，如圖3.2 ，此數位電路需設計成在輸入訊號為10 時，會 產生010101 的輸出。 Copyright©滄海書局 本書主要是介紹數位電路設計所需的相關入門知識，期望能讓讀 者了解：如何針對輸入的0 與 1 訊號，設計一個數位電路/系統，進行 運算以產生此系統所需的輸出0 與 1 訊號。 Copyright©滄海書局 3.2 基本數位邏輯元件 無論是一個簡單的或者是複雜的數位電路系統，究其根本都是 由基本邏輯元件，也就是所謂的邏輯閘(logic gate) ，所組合而成。基 本的邏輯元件相對於數位系統，就如同各種細胞相對於生物一樣，不 論是何種生物都是由許多不同類的細胞組織而成，而每一個數位系統 都是由許多不同類的邏輯閘組合而成。不論是簡單的數位電路系統如 「多工/選擇器」或較複雜的數位系統如「個人電腦」，它們都是由基 本邏輯閘元件組合而成的。較簡單的數位電路可能由數個到數百個邏 輯閘元件連接組合而成；較複雜的數位電路則可能由數萬個、數十萬 個到數百萬個邏輯閘元件連接組合而成。每一個基本邏輯閘，會將該 閘的幾個輸入數位訊號(0 或 1) 適當處理後，產生此類閘的數位輸出訊 號(0 或 1) ；多個邏輯閘連接而成的數位