8.3.1 門電路的重要意義
上面這圖在2.1.2中就提過，從這張圖中可以看出，門電路在計算機組成中所處的重要位置。
8.3.2 門電路的作用和分類
（1）門電路的作用
門電路的作用就是，數字電路會使用門電路進行算術和邏輯運算。
（a）人做算數運算和邏輯運算
·人做算數運算：1098+1234 = ？
·人做邏輯邏輯運算
與運算：下雨 與 出去 就帶傘，下雨與出去同時滿足就帶傘，這就是與運算。
或運算：坐飛機 或 做火車從深圳去北京，這就是或運算。
非運算：不吃飯就是吃飯的非運算。
（b）計算機（數字電路）也要進行算術和邏輯運算
比如以基本的與、或、非爲例：
與：1(2.5v) & 1(2.5v) = 1(2.5v)
或：1(2.5v) | 0(0v) = 0(0v)
非： ！(2.5v) = 0(0v)
在計算機（數字電路）中，0/1爲對應的0v和2.5v電信號，需要使用門電路，實現對數字電信號表示的二進制數據進行運算，因此，門電路是構成計算機的基本數字電路。
（2）常見的門電路列舉
與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等幾種，數字電路使用這些門電路，就可以實現算術運算和邏輯運算。
8.3.3 三極管是如何構建門電路的
接下來我們會以“與非門”爲例，介紹三極管是如何構建“與非門”的，其它的門電路都是以同樣的方式構建，只要你明白這個例子，你也就大概的瞭解了，所有的這些個門電路是如何通過三極管構建的。
（1）與非邏輯理解
爲了講明白“與非”的邏輯，我們需要先看下“與”的邏輯，對比理解就能知道“與非”是什麼含義了。
（a）生活中的例子
·“與”的邏輯：今天 小明來 與 小花來 我就出去郊遊。
·“與非”的邏輯：今天 小明來 與 小花來 我就 不 出去郊遊，不就是“非”。
以上的邏輯是由人腦所實現的邏輯運算，人實現邏輯運算的過程非常自然，如果不告訴你這就是邏輯運算，你都不知道這就是邏輯運算。
（b）計算機的例子
·“與”邏輯：
-1（2.5v） 與 1（2.5v） 輸出 1（2.5v）
- 1（2.5v） 與 0（0v） 輸出 0（2.5v）
·“與非”邏輯：
- 非（1（2.5v） 與 1（2.5v）） 輸出0（0v）
- 非1（2.5v） 與 0（0v） 輸出 0（2.5v）
以上數字電信號形式存在的數據，需要通過“與非門”電路才能實現相應的與非運算。
（2）“與非門”電路符號
理工科的同學對於邏輯運算應該是比較熟悉的，不熟悉的同學可以關注我們後面的《數字電路》的課程，我們會對邏輯運算進行深入講解，並詳細介紹門電路是如何實現這些邏輯運算的。
（3）與非門的三極管組成圖
（4）分析電路圖，看看三極管組成的“與非門”電路是如何進行邏輯運算的
（a）例1
非 與
0/1 表示： ! ( 1 & 0 ) = 1
電壓表示： ！（2.5v & 0v） = 2.5v~5v
（b）例2
非 與
0/1 表示： ! ( 1 & 1 ) = 0
電壓表示： ！（2.5v & 2.5v） = 0v
例子2請自行分析，不過你會發現分析起來很困難，並不像例子1那樣容易，至於爲什麼是這樣呢？例1中只用到了三極管的開關功能，但是例2還有到了三極管的放大功能，大家不會分析三極管的放大功能，之前講三極管時，我們也沒有詳細講三極管放大功能的具體分析，因此相比開關功能來說，放大功能比較難分析些。
我們在後續的《模擬電路》這門課中，我們詳細的講清楚了三極管的“放大、飽和、截止”三個狀態後，再來分析這個這個電路，你就會分析了，如果對三極管工作原理非常感興趣的同學請看我們後面的《模擬電路這門課》。
大家不要想着搞清楚所有門電路的三極管組成電路，原理都是大同小異，如果你不是做微電子的，這麼做沒有意義。
8.4 觸發器、組合電路和時序電路
8.4.1 觸發器、組合電路、時序電路在計算機構建中地位
8.4.2 觸發器
（1）觸發器的
1）功能：記憶功能。
就是當某些條件下滿足時，觸發器的輸出可以一直保持1（高電平）或者0（低電平），這個有什麼好處呢？
2）什麼是記憶作用呢
好處就是使用觸發器可以構建出寄存器、緩存、內存等。
有關觸發器構建存儲器的知識，在後面緊接着講的存儲器時還會再次介紹。
（2）門電路構建觸發器舉例
比如下圖的RS觸發器，由兩個“與非門”組的，那麼門電路是如何構建觸發器的呢。
這裏只是希望通過RS觸發器，讓大家瞭解門電路是如何構建出觸發器的，重點並並不是介紹RS觸發器，爲了避免問題複雜化，我們這裏不在講解RS觸發器的工作原理，如果你確實想學習觸發器的知識，請看後續的《數字電路》課程。
（3）對於觸發器知識
其實除了RS觸發器外，還有D觸發器、JK觸發器等，對於偏向編程開發的it工作者來說，瞭解到這個層級就ok了，但是對於微電和硬件工程師來說就必須深入理解，還是你那句話，如果你對觸發器工作原理感興趣，請看我們後面的《數字電路》課程，裏面會有詳細講解。
8.4.3 組合電路
（1）組合電路的作用
組合電路的用途有很多方面，爲了能讓大家對快速理解組合電路的用途，這裏舉了一個3-8譯碼器，這樣一個簡單的組合電路例子，通過這個例子大家就能快速理解組合電路使用幹嘛的。
（2）3—8譯碼器
1）3-8譯碼器功能
這張表已經非常清楚的描述了3-8譯碼器的功能，功能就是根據輸入來選擇某根線輸出，比如輸入011（3）的電平信號，輸入後，譯碼器發現輸入的二進制數爲3，表示要選擇第三根線輸出1(2.5v），其它線全部輸出0。
2）其它譯碼器
譯碼器除了3-8譯碼器外，4-16譯碼器外，還有n-2n等等譯碼器，輸入輸出線的數量需要根據自己使用情況來定。
4）3-8譯碼器應用舉例：使用3-8譯碼器進行尋址
如果我希望從內存地址爲011這個地址的字節都數據，那麼就一定要通過地址線發送地址給內存，內存根據輸入的地址選擇011地址對應的這個地址，我們以只有8個字節的內存爲例，講解3-8譯碼器是如何實現尋址的，對於只有8字節的內存來說，
（a）地址數量：既然內存只有8字節，那麼每個地址對應一個地址，只需要8個地址
（b）地址線根數：只有8個地址，那麼二進制的地址範圍爲000-111，那麼只需要三根地址線就能表示000-111的地址。
（3）門電路如何構建3-8譯碼器這個組合電路
從這張圖中可以看出，3-8譯碼器就是由各種門電路組成的，通過這張圖只是想告訴大家，3-8譯碼器這個組合電路，是如何通過門電路構成的。我們這裏就不再分析這個3-8譯碼器具體是如何工作。
8.4.4 時序電路
（1）時序電路的作用
要說清楚時序電路是幹嘛的，先得弄清楚時序是個啥東西
1）先從人的時序說起
（a）人也是需要時序的
·人的工作和生活也是有時序的，人的時序其實就是時間安排
·只是我們很少把生活中的時間安排以時序的方式來看待
·人的時序安排，基本是以小時爲單位進行，時序安排就是工作時間表。
（b）以工作爲例，看時序的重要性
·我們平時的工作是由很多人和組織共同而成的
·各自嚴格按照自己的工作時序進行做事，就能和其它人或者組織精確的配合上，否者就會紊亂，比如錯過了重要客戶的約見等。
（c）生活中時序舉例
（d）對於時序來說，統一時鐘的重要性
爲了讓每個人或組織時序，能夠準確的對上，必須要有統一的時鐘參考，這也是以前爲什麼總是要對錶的原因，不對錶的話，兩個手錶的快慢不一樣，各自參考時間標尺就會不同，肯定配合不上，特別是在打仗的時候，發起總攻時，對錶是必須的，不然這邊已經總攻了，那邊還在乾等着。
人的時序是以人的時鐘（24小時）進行安排的，最小單位爲S，比S還小的時間單位對於人來說已經沒有什麼意義了，因爲人對s以下的時間敏感度不高。
（e）再看看時序
時序就是各單元（比如人）工作的“時間順序”，因爲所有人和組織的時序，都是參考統一的時鐘進行安排的，那麼各自只要嚴格準守自己的時序工作，就能很好的配合上。
2）計算機中的時序
（a）計算機時序的作用與重要性
計算機由各種不同的電子部件組成，所以每個部件需要有自己的工作時序，各自的時序是按照統一的“時鐘”制定的，各部件只要嚴格準守自己的時序，才能嚴密的配合工作，否者就會紊亂，導致計算機不能正常工作。
（b）計算機中時序舉例子
比如計算機的兩個芯片要通信，雙方就需要遵守一定時序安排才能通信成功。
數據的傳輸就是數據的讀寫，只有當發出讀寫控制後，纔會進行數據傳輸，才能通信成功，因此讀寫控制時序和數據傳輸時序必須要嚴密對上，否者通信就會因爲時序紊亂而失敗。上面的這張時序圖只是爲了讓大家便於理解而畫的僞時序圖，有關時序，我們會在後續嵌入式課程中(特別是單片機)詳細講解。
（c）同樣，對於計算機的時序來說，統一時鐘也非常重要
·各部件（芯片）遵照統一時鐘進行安排的時序，才能嚴密配合上
·人使用的時鐘是不能給計算機使用的，因爲人的時鐘精度只能到S，但是計算機工作的速度是ns級別，因此需要ns級別的時鐘
·計算機的時鐘就是晶振，晶振每隔xxns就會震動一次，產生一個時鐘脈衝，這個時鐘脈衝就是計算機時鐘的最小時間位。
3）時序電路重要作用
（a）什麼是時序電路
時序電路就是根據輸入的統一鍾（晶振）時鐘爲參考，爲相應電子部件（芯片）產生該要的時序，根據該時序，每隔固定的時間(xxxns)發出一個高或低電平脈衝，別人這個脈衝信號的指示，就知道是要動作來配合你的工作了。
（b）分頻和倍頻
·通過s/m/h理解分頻和倍頻
-分鐘m的60倍頻就是h
-分鐘m的60分頻就s
·時序電路的分頻和倍頻
時序電路爲了產生新頻率的時序脈衝信號，產生新頻率的脈衝，關鍵就是分頻和倍頻,有關時序電路的分頻和倍頻，會在後續的的單片機課程中詳細講解。
（c）幾乎每個芯片都有自己的時序電路
因爲都需要根據輸入的時鐘信號，產生屬於自己的“時序”脈衝。
（2）時序電路組成
時序電路是由門電路和觸發器共同組成，比如下圖74LS164（74LS164主要用在移位寄存器中）時序芯片時序電路。
同樣我們這裏不講解這個時序電路的具體工作原理，有關時序電路的工作原理，會在後續的《數字電路》課程中會涉及。
（3）時序電路知識點要求
微電工程師：非常清楚時序電路的工作原理
硬件工程：深入瞭解它的各個參數指標（也就是電器特性），學會如何使用這個硬件芯片。
嵌入式軟件工程：時序電路都會有相應時序圖，需要根據時序圖寫程序控制硬件。
74LS164產生的時序：
時序圖其實並不複雜，但是很多初學的同學還是感覺很複雜，看懂時序圖需要一定的基本功，在後面的單片機和linux嵌入式課程中，都會講解時序相關度的課程，通過後面的學習，只要看懂了一兩個個時序圖，當你掌握了其中的門道後，你會發現時序圖原來也不過如此。
8.4.5 觸發器、組合電路和時序電路的對比
（1）共同點：都由門電路組合而成，門電路再由三極管構成。
（2）區別
1）觸發器：具有記憶功能
2）組合電路：不具有記憶功能，爲了某個特定的功能，純粹使用門電路組合構成
3）時序電路：用於設計計算機（主要是各類芯片）用的時序電路，由門電路、觸發器共同構成
8.5 cpu如何由觸發器、組合電路、時序電路構成的
8.5.1 回憶cpu中的結構
在介紹計算機結構時，我們就瞭解到CPU是由運算器、控制器和寄存器組等這幾個基本功能單元組成，
運算器：由組合電路實現。
控制器：由組合電路+時序電路實現
寄存器組：由觸發器實現
8.5.2 CPU的運算器
運算器最核心的就是ALU（Arithmetic Logical Unit），ALU分成兩部分，
算術運算單元：加法器
邏輯於運算單元：邏輯運算器
加法器和邏輯運算器均由組合電路的全加器實現。
1）全加器
全加器專門實現二進制的加法運算，有了加法運算，其它的減法、除法、乘法等都能通過加法實現。
（a）只進行一位運算的全加器
下圖就是一個只進行一位相加運算的全加器，全加器是一個組合電路。
AB：加數、被加數
Cin：前一位相加後的進位
Sum：相加後的和
Cout：相加後的進位
（b）實現兩位二進制數相加的全加器
比如01+11，必須使用兩個上面的全加器級聯，級聯的時候將上一級的Cout和下一級的Cin連在一起，
（c）三位或以上的多爲全加器
同理進行多次級聯。
2）半加器
與全加器對應的還有一個半加器，半加器和全加器的區別就是，半加器不計算進位，但是全加器需要計算進位。
8.5.3 控制器
由組合電路+時序電路實現，其中控制器最核心的部分就是譯碼器，譯碼器就有時序電路構成，控制器比較複雜，這裏製作簡單介紹。
8.5.4寄存器組
功能：小容量臨時存儲器，臨時存儲數據，供CPU快速訪問用。
組成：寄存器組由很多寄存器疊合而成，每個寄存器由觸發器組成，一個觸發器就是一個bit位。
在後面介紹存儲器時，還會介紹寄存器相關的內容。
8.5.5 有關cpu內部組成知識的掌握
微電工程師的：需要設計和集成cpu芯片，要求對cpu內部結構非常清楚。
硬件工程師（電路設計）：瞭解內部結構，清楚cpu的電氣特性和各項指標。
軟件工程師：特別是嵌入式軟件工程師，需要清楚cpu工作原理，關鍵是並瞭解該cpu的指令系統，也就是了解彙編，彙編學會了計算機的工 作原理也就清楚了。
純軟件開發：比如web，移動APP，遊戲等軟件開發，一個合格的IT工程師，也必須要了解CPU的工作原理，最好的方式就是通過學習彙編來 瞭解，因爲彙編指令是完全遵照CPU的工作原理進行設計的，因此彙編清楚了，計算機的工作原理也就清楚了。
在後續單片機、stm32和arm裸機課程，對於cpu的工作原理會講解，希望深入學習，可以看後面的課程
作者：佳嵌工作室
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