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关于门电路详细解析

作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:    更新时间:2021-10-21

之前,我引入过一个技术问题:

有2个设备A、B,通过网络连通可交互数据,其中A有外接按键,B有小显示屏。

2个设备实现这样的程序:A键盘上按下某个按键,B显示屏将按键值显示出来。

请问:从A按下按键那一刻起,到B显示屏看到按键值,”按键值“这个数据是怎么从A的按键传输到B的显示屏的?

我们接着回答这个问题。

在文章《半导体与MOS管》中讲了计算机世界的物质基础,讲了半导体的物理原理、三极管的导通原理,最后讲到利用MOS管的「通」与「断」两种状态来造一颗芯片。

那么怎么利用MOS管的「通」与「断」点亮一朵小黄灯呢?

我们先了解下人类是怎么在大脑中点灯(思维)的。

逻辑

大脑在思维过程中会运用的一种非常重要的思维形式:推理。

即,把事物划分成不同的集合,通过一定的判断,找出集合之间的关系,形成结论。

 

下面这个推理是不是一个真理,我们用集合间的关系式来证明它。

 

首先,第一句。

所有关注「科岩成果」的人组成一个集合A,全世界的人才组成一个集合B。

A与B的交集就表示成

A x B = A

上面这个式子意思是关注「科岩成果」的人与全世界人才的交集,就是关注「科岩成果」的人。

接着,第二句。

花不脱也是一个集合H,这个集合里面只有花不脱一个成员。

H x A = H

这个式子表示,花不脱与关注「科岩成果」的人的交集,就是花不脱。

用代入法,把第一个式子代入到第二个中:

H x A = H x(A x B)

利用交换律把先后顺序修改一下:

H x(A x B)

=(H x A)x B

= H x B

= H

这个式子表示,花不脱与全世界人才的交集,就是花不脱,即花不脱也属于全世界的人才。

推理过程中要遵循一定的思维规则,思维规则指的就是逻辑,很明显,我们刚刚的证明是合乎逻辑的,「花不脱是人才」这个推理是真理。

一个推理是真理,在布尔代数中用1表示,不是真理就用0表示,即,1和0不代表数字大小,而是代表「真」「假」。

人类世界有人类世界的逻辑,计算机世界中也有计算机的逻辑。

门电路

计算机中的逻辑使用门电路实现的。

先回味一下逻辑「与或非」是什么意思:

•与:条件全为真,则结论为真;只要一个条件为假,则结论为假

•或:只要有一个条件为真,则结论就为真;条件全为假,则结论为假

•非:条件为真,结论为假;条件为假,结论为真

如果把小灯泡的亮看做「真」,灭看做「假」,则可以用小灯泡电路说明这三种逻辑关系。

「与」逻辑,其实就是个串联电路,两个开关同时闭合时,灯泡才亮,只一个闭合,灯泡是不会亮的:

 

「或」逻辑是并联电路,只要一个开关闭合,灯泡就可以点亮:

 

「非」逻辑取反,开关闭合时灯泡不亮,开启时才亮:

 

上面这些电路都需要物理开关来控制,小孩子都会,我们来玩稍微高级一点的。

还记得上篇文章讲到的二极管的单向导电性么,电源正向接可以当做通路,否则当做断路。

 

我们就用二极管的这个性质来实现与逻辑。

 

按上面这个电路接好后,如果A点接3.3V,B点也接3.3V,则D1与D2两边均为高电平。均可当做断路状态,这时Y点是高电平,小灯泡被点亮。

A或B只要有一个点接低电平,则对应的二极管就会处于导通状态,Y点是低电平,小灯泡熄灭。

 

这就是一个二极管的逻辑与电路,我们给它起个学名,叫「与门」。

一般我们在电路图中不用上面的结构表示与门,因为比较复杂,而是会用下面这样简化的符号,可以把这个简化符号看做是上面那个电路图的封装。

 

如果把3.3V看做「真」,用逻辑1表示,把0V看做「假」用逻辑0表示,则A、B与Y之间的关系可以用如下表格表示,这个表格叫做「真值表」。

 

下面我们再搭一个非门出来。

还记得上篇文章「一沙一世界」之半导体与MOS管 的MOS管么。

 

•P-MOS,D接低电平,S接高电平;G极为低电平时DS导通,高电平断开,可用于控制与电源之间的通断

•N-MOS,D接高电平,S接低电平;G极为高电平时DS导通,低电平断开,可用于控制与地之间的通断

非门我们就再高级一点,用MOS管实现。

 

如上图,把一个P-MOS管的D极和一个N-MOS管D极连在一起,G极也相互连接,就构成了一个非门电路。

•当A点为低电平时,P型管导通,N型管截止,输出端Y是高电平;

•当A点为高电平时,N型管导通,P型管截止,输出端Y是低电平。

A与Y之间的关系刚好相反,如下表:

 

将两种类型的MOS管结合在一起形成的互补门电路称为CMOS门电路(互补式金属氧化物半导体,Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)。

用三极管也能组成门电路,称为TTL门电路(晶体管-晶体管逻辑,Transistor-Transistor Logic)。

与TTL门电路相比,CMOS门电路具有功耗低、尺寸小、成本低的优点。

目前TTL门电路主要用于教学或制作比较简单的数字电路,而我们使用的电脑处理器、手机处理器,还有各式各样的单片机都是以CMOS门电路为基础制制造的。

常用的门电路还有很多,就不细说了,贴张基本门电路图:

 

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我们现在可以用门电路进行简单的逻辑处理了。

我隐约觉得,在计算机的世界中,门电路,就是物质与逻辑的边界。

Tags:门电路  
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