第1章_四位计算机原理及其实现.ppt

* 四位计算机的原理及其实现 现代计算机的基础： 二进制 数字逻辑 电子学 * 一、二进制 计算机内部采用二进制，每一个数位只有两种可能“0”和“1”，运算规则是“逢二进一”。举例来说，有两个位A和B，它们相加的结果只可能有四种。 “真值表”（truth table），其中的sum表示和，carry表示进位。如果A和B都是0，和就是0，因此和和进位都是0；如果A和B有一个为1，另一个为0，和就是1，不需要进位；如果A和B都是1，和就是10，因此和为0，进位为1。 * 二、逻辑门 布尔运算（Boolean operation）的规则，可以套用在二进制加法上。 布尔运算有三个基本运算符：AND，OR，NOT，又称“与门”、“或门”、“非门”，合称“逻辑门”。它们的运算规则是： AND：如果( A=1 AND B=1 )，则输出结果为1。 OR：如果( A=1 OR B=1 )，则输出结果为1。 NOT：如果( A=1 )，则输出结果为0。 两个输入（A和B）都为1，AND（与门）就输出1；只要有任意一个输入（A或B）为1，OR（或门）就输出1；NOT（非门）的作用，则是输出一个输入值的相反值。 * 三、真值表的逻辑门表示 现在把真值表的运算规则，改写为逻辑门的形式。 先看sum（和），我们需要的是这样一种逻辑：当两个输入不相同时，输出为1，因此运算符应该是OR；当两个输入相同时，输出为0，这可以用两组AND和NOT的组合实现。最后的逻辑组合图如下： * 三、真值表的逻辑门表示 再看carry（进位）。它比较简单，两个输入A和B都为1就输出1，否则就输出0，因此用一个AND运算符就行了。 * 三、真值表的逻辑门表示 现在把sum和carry组合起来，就能得到整张真值表了。这被称为“半加器”（half-adder），因为它只考虑了单独两个位的相加，没有考虑可能还存在低位进上来的位。 * 四、扩展的真值表和全加器 如果把低位进上来的位，当做第三个输入（input），也就是说，除了两个输入值A和B以外，还存在一个输入（input）的carry，那么问题就变成了如何在三个输入的情况下，得到输出（output）的sum（和位）和carry（进位）。 * 四、扩展的真值表和全加器 * 五、全加器的串联 多个全加器串联起来，就能进行二进制的多位运算了。 * 六、逻辑门的晶体管实现 接着是AND。这需要两个晶体管，只有当两个基极的输入都为1（高电平），电流才会流向输出端，得到1。 * 六、逻辑门的晶体管实现 下一步，就是用晶体管做出逻辑门的电路。 先看NOT。晶体管的基极（Base）作为输入，集电极（collector）作为输出，发射极（emitter）接地。当输入为1（高电平），电流流向发射极，因此输出为0；当输入为0（低电平），电流从集电极流出，因此输出为1。 * 六、逻辑门的晶体管实现 最后是OR。这也需要两个晶体管，只要两个基极中有一个为1（高电平），电流就会流向输出端，得到1。 * 七、全加器的电路 将三种逻辑门的晶体管实现，代入全加器的设计图，就可以画出电路图了。 * 七、全加器的电路 按照电路图，用晶体管和电路板组装出全加器的集成电路。 左边的三根黄线，分别代表三个输入A、B、Cin；右边的两根绿线，分别代表输出S和Cout。 * 八、制作计算机 将四块全加器的电路串联起来，就是一台货真价实的四位晶体管计算机了，可以计算0000~1111之间的加法。 电路板的下方有两组各四个开关，标注着“A”和“B”，代表两个输入数。从上图可以看到，A组开关是“上下上上”，代表1011（11）；B组开关是“上下下下”，代表1000（8）。它们的相加结果用五个LED灯表示，上图中是“亮暗暗亮亮”，代表10011（19），正是1011与1000的和。 * 九、结论 虽然这个四位计算机非常简陋，但是从中不难体会到现代计算机的原理。 完成上面的四位加法，需要用到88个晶体管。虽然当代处理器包含的晶体管数以亿计，但是本质上都是上面这样简单电路的累加。 微控制器技术 第1章 单片机概述 Written by Zhou at BISTU * 微控制器技术 第1章 单片机概述 Written by Zhou at BISTU * 微控制器技术 第1章 单片机概述 Written by Zhou at BISTU * 微控制器技术 第1章 单片机概述 Written by Zhou at BISTU * 微控制器技术 第1章 单片机概述 Written by Zhou at BISTU * 微控制器技术 第1章 单片机概述 Written by Zhou at BISTU * 微控制器技术 第1章