嵌入式基础知识-组合逻辑与时序逻辑电路

本篇来介绍嵌入式硬件电路的相关知识：组合逻辑电路与时序逻辑电路

根据电路是否具有存储功能，将逻辑电路分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。

1 组合逻辑电路

组合逻辑电路，是指在任何时刻，电路的输出状态只取决于同一时刻的输入状态，与电路原来的状态无关。

常见的组合逻辑电路：译码器、多路选择器等

1.1 组合逻辑的表示方法

组合逻辑的表示方法包括真值表和布尔代数。

1.1.1 真值表

输入的所有组合与其对应的输出值构成的表格

真值表的特点：

• 能完全描述任何一种组合逻辑
• 表的大小随输入个数的增加呈指数增长

1.1.2 布尔代数

布尔代数中有3种基本运算，与、或、非。

与逻辑

与逻辑（AND），记为“·”，也称为逻辑乘。

A和B都满足，Y才满足。

或逻辑

或逻辑（OR），记为“+”，也称为逻辑和。

A和B只要有一个满足，Y就满足。

非逻辑

或逻非（NOT），记为“A非(A上面一横)"，也称为逻辑反。

A不满足时，Y才满足。

常见的布尔代数定律如下表所示：

1.2 基础结构门电路

门电路可以实现基本的逻辑功能。

基本的门电路的符号如下：

也可以用下面这种符号表示：

1.3 常用组合逻辑电路

1.3.1 译码器

译码器，也称为解码器，可以将特定含义的二进制码转换成对应的输出信号。

译码器为多输入多输出的组合逻辑网络，如下图:

• 每输入一个n位的二进制信号，在m个输出端中最多只有一个有效
• 当m=2^n时，为全译码器
• 当m<2^n时，为部分译码器

根据功能的不同，译码器分为通用译码器和显示译码器 通用译码器又可分为二进制译码器和二-十进制译码器

• 二进制译码器是全译码器，如2-4译码器、3-8译码器
• 二-十进制译码器是部分译码器，将二进制译成0~9，它的n=4，m=10

1.3.2 数据选择器MUX

数据选择器，又称为多路开关。

常见的数据选择器有：二选一、四选一、八选一、十六选一等。

如下图左图为数据选择器示意。

下图右图为二选一的数据选择器结构：

• 两个输入信号A和B
• 一个输出信号C
• 一个选择信号S

1.3.3 数据分配器DMUX

数据分配器，又称为多路分配器。

与数据选择器相反，它是有一个输入和多个输出。

如下图左图为数据分配器示意。

下图右图为四路数据分配器：

• 若数据输入端X为1，为2-4译码器，即X为使能端
• 选择端S0和S1相当于译码器的输入端

数据分配器的核心实际是一个带有使能端的全译码器

1.3.4 多路开关

把多路选择器和多路分配器结合起来，得到多路开关，可以实现在一条线上分时传送多路信号。

即在相同地址输入的控制下，将多路输入信号的任意一路从对应的一路输出。

2 时序逻辑电路

时序逻辑电路，是指电路在任一时刻的输出不仅与当前时刻的输入有关，还与当前时刻的电路状态有关。

• I为时序电路的输入信号
• O为时序电路的输出信号
• E为存储电路转换为下一状态的激励信号
• S为存储电路的状态信号（状态变量），表示时序电路当前状态，简称现态

常见的时序逻辑电路：寄存器、计数器等。

2.1 时钟信号

时钟信号是指有固定周期并与运行无关的信号量，它是时序逻辑的基础，决定了逻辑单元中状态何时更新。

• 在电平触发机制中，只有高电平（或低电平）是有效信号
• 在边沿触发机制中，只有上升沿（或下降沿）是有效信号

2.2 触发器

触发器是一种能够储存1位二值信号（0、1）的基本单元电路。其特点为：

• 具有两个能自行保持的稳定状态来表示逻辑0和1
• 根据不同的输入信号可以设置成0或1

触发器的分类: 按时钟控制方式分：电平触发、边沿触发、主从触发 按逻辑功能分：D型、R-S型、J-K型

2.2.1 电位触发方式的触发器

如下图为锁定触发器（锁存器）的电位触发器的逻辑图：

• 当时钟信号E为高电平1时，输入D和输出Q相同
• 当时钟信号E为低电平0时，输入D无论输入什么都无效，输出Q状态保持不变

在时钟信号E为高电平1期间，输入信号多次发送变换，触发器也会相应的多次翻转，这种因输入信号变化而引起触发器状态变化多余一次的现象，称为触发器的空翻。

电平触发器的结构简单，常用来组成暂存器。

2.2.2 边沿触发方式的触发器

如下图为边沿触发器（以D触发器为例）的逻辑图：

• 在CP=1期间到来的数据，必须“延迟”到该CP=1过后的下一个CP边沿到来时才被接收
• 在CP正跳变(对正边沿触发器)以外期间出现在D端的数据和干扰不会被接收，有很强的抗数据端干扰的能力

边沿触发器除用来组成寄存器外，还可用来组成计数器和移位寄存器

2.3 寄存器

寄存器主要用来接收信息、寄存信息或传送信息。

• 通常采用并行输入——并行输出的方式
• 组成部分包括：触发器、门电路构成的控制电路（以保证信息的接收、发送、清除）
• 存储n位二进制代码的寄存器需要使用n个触发器构成

2.4 移位器

移位器既能寄存数据，又能在时钟信号的控制下，使数据向左或向右移动。

• 按移动方向可分为：
  • 左移位寄存器
  • 右移位寄存器
  • 双向移位寄存器
• 按信息的输入/输出方式可分为：
  • 串行输入——串行输出
  • 串行输入——并行输出（串——并转换）
  • 并行输入——串行输出（并——串转换）
  • 并行输入——并行输出

2.5 计数器

计数器是由各种触发器和逻辑门构成的，其基本功能用来累计时钟输入脉冲的个数。

• 计数器还可用来定时、分频、产生节拍脉冲和脉冲序列、进行数字运算等
• 按脉冲输入方式可分为：
  • 同步计数器：各级触发器的时钟脉冲均来自同一个计数输入脉冲，各级触发器在计数脉冲作用下同时翻转，又称并行计数器
  • 异步计数器：没有公共的时钟脉冲，除第一级外，每级触发器都是由前一级的输出信号触发，为串行进位，又称串行计数器
• 按计数技术可分为：
  • 二进制计数器
  • 十进制计数器
  • 任意进制计数器
• 按逻辑功能可分为：
  • 加法计数器
  • 减法计数器
  • 可逆计数器

3 总结

本篇介绍了组合逻辑电路与时序逻辑电路的基础知识，组合逻辑电路中，介绍了组合逻辑的表示方法，各种基础门电路、常用的组合逻辑电路等；时序逻辑电路中，首先介绍了时钟信号的类型，然后介绍了触发器、寄存器、移位器、计数器的基础知识点。