数字电路学习

一.电路基础

1.数字电路仿真软件-digital

digital官网：https://github.com/hneemann/Digital?tab=readme-ov-file
建议使用红绿色盲模式

2.异或门

输入1	输入2	输出
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

简单来说就是判断两个输入是否相同
异或门的组成：

异或门也有对应的异或非门

二.拓展电路

1.半加器和全加器

半加器：
对于一位二进制的加法运算，应该输入两个数，输出两个数，一个表示进位，一个表示和
得出真值表：

输入A	输入B	进位	和
0	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	0

所以A、B和进位的关系是与，和和的关系是异或
数字电路实现：

叫半加器是因为没有实现进位到和的转化

全加器的实现：

cin表示上一位有没有进位，Cout表示进位，S表示和
全加器也是一位加法器

2.加法器

4位加法器的实现：

3.一位减法器

真值表：

输入A	输入B	差	借位
0	0	0	0
0	1	1	1
1	0	1	0
1	1	0	0

根据真值表，得出半减器：

一位减法器：

4.减法器

4位减法器：

5.SR锁存器

与非门构成的1位锁存器：
=

S位set位，R是重置位
锁存器的初始状态应为S、R都为1
置位：S输入0，Q会变为1，此时S端变不变Q都为1
复位：R输入0，Q会变为0，此时S端变不变Q都为0
S、R都为0时，该电路失效

或非门构成的1位锁存器：

区别是低电平是初始状态

6.带en开关的SR锁存器

为了解决电路可能会失效的情况，用一个额外的使能开关en(enable)使这个电路不会失效
改进后的电路：
=

这个电路中，只要en不输入1，锁存器的输入端就都是1
但是这个电路中，S、R、en不能同时为1

7.带en开关的D锁存器

D锁存器：

为了解决S、R、en不能同时为1的问题，于是将S、R合并，并加入一个非门，使S、R不会同时为1

8.D触发器

电位从0到1的变化是有时间的，所以D锁存器的数据记录不精确
我们可以记录电位的上升和下降，这样精确度会提高

en为0、1时，D变化不会造成影响
只有en从0变为1时，D的数据才会被存到Q里：D为1则Q为1、D为0则Q为0

9.多位寄存器

4位寄存器：

10.带寄存器的加法器

每次按下C按钮，B中的数字都会加到A中，这样就能实现多个数字相加

三.计算机原理

1.冯诺依曼模型的计算机

冯诺依曼模型的四个子系统：

1. 存储器
2. 算数逻辑单元(ALU)
3. 控制单元
4. 输入/输出单元

2.CPU介绍

CPU中的算数逻辑单元：

1. 算数运算：整数和浮点数运算
2. 位移运算：逻辑移位运算和算数移位运算
3. 逻辑运算：

CPU中的寄存器：

1. 数据存储寄存器
2. 指令寄存器
3. 程序计数器

3.内存介绍

内存是存储单元的集合，每个存储单元都有唯一的标识，称为地址
内存分RAM和ROM。RAM就是内存，叫随机存取存储器；ROM叫只读存储器，常用来存储开机程序，在现代可以理解为硬盘
CPU与主存储器之间由称为总线的三组线路进行连接，分别是：数据总线、地址总线、控制总线

4.输入输出系统介绍

(1)分存储设备：键盘、鼠标
(2)存储设备：有磁介质和光介质两种，如CD

5.程序的执行

机器周期：CPU利用重复的机器周期来执行程序中的指令
一个周期分三步：取指令、译码、执行

不同的指令体系结构：
CISC：复杂指令集计算机
RISC：精简指令集计算机

四.构建alu

1.1位复用器的实现电路

1位复用器：1则开关闭合，0则开关打开，继电器是其中一种
电路：

2.多位复用器实现计算功能选择

用1位复用器实现2位复用器：

实现加减与或的算法选择：

3.比较器

ZF(Zero Flag)：表示两个数字是否相等
下面这个电路就可以直接得出，ZF：

实际上就是一个异或非门
真正的比较器会有三个输出，分别是大于等于小于，所以这是一个1位比较器的简化版
2位比较器的简化版：

加上比较器的alu：

4.最初的计算单元

实现多个数字的加减与或运算的计算单元：

五.构建简易内存

1.使用38译码表示地址值

38指的是用3位数字表示8个值
38译码器的电路：

将38译码器和寄存器相连：

2.地址对应数据存储的简单实现

简易实现：

Din是输入的数据，Addr是指定的地址

3.EEPROM的简单电路实现

有独立端口的EEPROM：

str控制数据的写入，驱动器的作用是控制输出，若ld为0，则输出是高阻态，即Z，若ld为1，则输出等于输入
这种电路更接近于寄存器，现实中的内存不会是这种结构，而会更加复杂

六.组合CPU

1.EEPROM+计算单元

tips：EEPROM可以预编译数据

缺陷：需要在Addr中输入要查询的地址才能进行计算，如果要让三个数字相加，需要依次输入1、2、3

2.计数器

ovf表示有无溢出
加上计数器的EEPROM+计算单元：

3.halt信号

作用：使计算停止
由于时钟信号一般频率很高，halt信号不能手操，可以用比较器控制计算的次数

缺陷：只能一直加或一直减之类的

4.完整的自动化的计算单元

可以用第二个EEPROM来记录加减与或：

5.编写控制指令halt信号

对于优化halt信号，可以把它放到存运算符的EPPROM中：

在第15位为0时停止计算

6.存储计算结果

将记录计算符的EEPROM中每行数字的第11位编写为输送给数据内存的EEPROM的str
在计算完之后str变为1，Din中的数据便会存储到数据内存中的下一位

7.解决高阻态

因为str < halt，ld开启时，原本应只存储的数据也会被用于计算
为了解决这个问题，可以在第12位记录ld信号，存储后ld会变为0，阻止计算
但是，当ld为0时，输出D为高阻态，这时计算器的输入B是不确定的，会变成一个奇怪的数字
所以，可以加一个复用器，进行数据筛选

在第4、5位记录selB，当selB为1时使复用器输出0

8.selA实现多次计算

ldA为读取指令，实际上每次计算的第一个数字是ldA指令，即读取数字然后+0
计算结束后，计算结果需要清零，所以可以引入selA信号

将第2、3位分配给selA，当selA为1时使复用器输出0

9.修改计数器实现跳转

平时en_pc为1，计数器正常运行
需要时ld_pc为1，en_pc为0，计数器会变为addr中的值