电路实践
2017-11-20 11:53
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在集成电路中，门是基本功能元件，多个门元件能够组成一个电路进而能够实现各式各样的功能。各种门电路的组合，形成一套复杂的逻辑运算体系，进而实现了软件与硬件之间的映射关系。下面先简单介绍电路中的基本原件：
晶体管：
正如我们所熟知的，门是集成电路的基本功能元件，许多复杂功能的实现离不开门电路，而门电路正是由晶体管构造出来的。许许多多的晶体管组合在一起，构建成不同功能的门电路。
晶体管是一个半导体元件，根据不同的输入的电压表现不同的物理特性，在高电压时表现为导体，在低电压时表现为绝缘体。
一个晶体管拥有三个引脚，分别为 Emmiter 、 Base 、 Collector ，其中 Emitter 与 地线相连， Base 与 Colector 的差别是 Base 中的电流比 Collector 中的电流小。对晶体管可以这样理解：通过 Base 中的小电流控制 Collector 中的大电流。
晶体管是一种根据输入电压的高低，从而改变自己的物理特性的电子元件。为了更好地理解晶体管的特性，我们用表格来阐述晶体管在不同输入电压下的表现情况。
Base Output
1 0
0 1
观察上述表格，我们发现晶体管的输入端（Base）和输出端（Output）电平值始终相反，这完全符合 非门 的功能特点。这样，我们得到了一个重要的门元件——非门。这对于我们来说是非常重要的。由此得出：
通过串联两个三极管，我们可以构建出与非门。
通过并联两三极管，我们可以构建出或非门。
非门电路演示
非门（NOT gate），是一个能将输入信号反转的门电路，具有一个输入端和一个输出端，当输入端为高电平（1）时，则输出端电平为低电平（0）。为了让电平高低参数能够可视化，我们在电路演示中，使用LED灯泡来间接表示电平高低情况，灯泡正常工作，即为高电平。我们通过LED灯泡与开关的组合来控制并显示输入信号的电平高低状况。
通过测试不同的输入信号，我们得到了以下的演示结果。
INPUT(toggle switch) OUTPUT(LED)
ON(1) OFF(0)
OFF(0) Red(1)
除了使用晶体管，我们还可使用异或门实现非门电路。
验证电路等价: A(B + C) = AB + AC
通过验证电路等价，来验证逻辑代数恒等式，是一种较为直观的方法。
首先，我们得先分析一下 A(B + C) = AB + AC 的含义，从而设计出相应的电路进行验证。
A(B + C) 部分可看做 B 或 C 得到一个D，然后再是D与 A 。
AB + AC 部分则可看作 A 与 B 得到D，A与C得到E，再D或E。
我们发现，在 A 、 B、 C 的各种输入状态值下，两部分电路的情况总是一样。由此，我们即可验证上述逻辑恒等式的正确性。
A B C A(B+C) AB+AC
0 0 0 0 0
1 0 0 0 0
1 1 0 1 1
1 0 1 1 1
0 1 0 0 0
1 1 0 1 1
0 1 1 0 0
1 1 1 1 1
在上述演示过程中，我们发现实现 A(B + C) 的电路比实现 AB + AC 的电路使用更少的器件。这里，我们可以很轻松地得到这样的理论：逻辑恒等式能过帮助我们简化电路的实现，实现用更少的器件完成更多的功能。
全加电路：
加法器是一种用于执行加法运算的数字电路部件，是构成 CPU 的算术逻辑单元的基础。在 CPU 中，加法器主要负责计算地址、索引数据等。除此之外，加法器也是二进制乘法器的重要组成
92d2
部分。由于数字电路通常以二进制为基础，因此二进制加法器在实际应用中最为普遍。
半加器：
半加器的功能是将两个一位的二进制数相加，具有两个输入(两个加数 AA 和 BB)，以及两个输出（和SumSum、进位CarryCarry）。根据两个一位二进制数相加的结果，可以通过真值表得到简易的半加器设计。在示意图中，使用了 异或门 产生 和SS ，使用 与门 产生 进位CC 。
A B C S
0 0 0 0
1 0 0 1
0 1 0 1
1 1 1 0
全加器：
全加器将两个一位二进制数相加，并根据接收到的低位进位信号，输出和、进位输出。
全加器的三个输入信号为两个加数 AA 、BB 和低位进位CinCin。
全加器的两个输出信号分别为本位的和SS、向高位的进位CoutCout。
上图为一位全加器示意图，从图可以看出，我们使用了两个半加器和一个与门实现了一个全加器。
线上演示一位全加器：
我们得到了以下结果：
AA BB CinCin CoutCout SS
0 0 0 0 0
1 0 0 0 1
0 1 0 0 1
1 1 0 1 0
0 0 1 0 1
1 0 1 1 0
0 1 1 1 0
1 1 1 1 1
线上演示二位全加器：
通过在 Circuits.io 演示各种简单电路，我们对数字电路有了一个最最初步的了解。在亲自实践的过程中，我们学到了很多，也逐渐感受到了电路的奇妙之处。
晶体管：
正如我们所熟知的，门是集成电路的基本功能元件，许多复杂功能的实现离不开门电路，而门电路正是由晶体管构造出来的。许许多多的晶体管组合在一起，构建成不同功能的门电路。
晶体管是一个半导体元件，根据不同的输入的电压表现不同的物理特性，在高电压时表现为导体，在低电压时表现为绝缘体。
一个晶体管拥有三个引脚，分别为 Emmiter 、 Base 、 Collector ，其中 Emitter 与 地线相连， Base 与 Colector 的差别是 Base 中的电流比 Collector 中的电流小。对晶体管可以这样理解：通过 Base 中的小电流控制 Collector 中的大电流。
晶体管是一种根据输入电压的高低，从而改变自己的物理特性的电子元件。为了更好地理解晶体管的特性，我们用表格来阐述晶体管在不同输入电压下的表现情况。
Base Output
1 0
0 1
观察上述表格，我们发现晶体管的输入端（Base）和输出端（Output）电平值始终相反，这完全符合 非门 的功能特点。这样，我们得到了一个重要的门元件——非门。这对于我们来说是非常重要的。由此得出：
通过串联两个三极管，我们可以构建出与非门。
通过并联两三极管，我们可以构建出或非门。
非门电路演示
非门（NOT gate），是一个能将输入信号反转的门电路，具有一个输入端和一个输出端，当输入端为高电平（1）时，则输出端电平为低电平（0）。为了让电平高低参数能够可视化，我们在电路演示中，使用LED灯泡来间接表示电平高低情况，灯泡正常工作，即为高电平。我们通过LED灯泡与开关的组合来控制并显示输入信号的电平高低状况。
通过测试不同的输入信号，我们得到了以下的演示结果。
INPUT(toggle switch) OUTPUT(LED)
ON(1) OFF(0)
OFF(0) Red(1)
除了使用晶体管，我们还可使用异或门实现非门电路。
验证电路等价: A(B + C) = AB + AC
通过验证电路等价，来验证逻辑代数恒等式，是一种较为直观的方法。
首先，我们得先分析一下 A(B + C) = AB + AC 的含义，从而设计出相应的电路进行验证。
A(B + C) 部分可看做 B 或 C 得到一个D，然后再是D与 A 。
AB + AC 部分则可看作 A 与 B 得到D，A与C得到E，再D或E。
我们发现，在 A 、 B、 C 的各种输入状态值下，两部分电路的情况总是一样。由此，我们即可验证上述逻辑恒等式的正确性。
A B C A(B+C) AB+AC
0 0 0 0 0
1 0 0 0 0
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1 0 1 1 1
0 1 0 0 0
1 1 0 1 1
0 1 1 0 0
1 1 1 1 1
在上述演示过程中，我们发现实现 A(B + C) 的电路比实现 AB + AC 的电路使用更少的器件。这里，我们可以很轻松地得到这样的理论：逻辑恒等式能过帮助我们简化电路的实现，实现用更少的器件完成更多的功能。
全加电路：
加法器是一种用于执行加法运算的数字电路部件，是构成 CPU 的算术逻辑单元的基础。在 CPU 中，加法器主要负责计算地址、索引数据等。除此之外，加法器也是二进制乘法器的重要组成
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部分。由于数字电路通常以二进制为基础，因此二进制加法器在实际应用中最为普遍。
半加器：
半加器的功能是将两个一位的二进制数相加，具有两个输入(两个加数 AA 和 BB)，以及两个输出（和SumSum、进位CarryCarry）。根据两个一位二进制数相加的结果，可以通过真值表得到简易的半加器设计。在示意图中，使用了 异或门 产生 和SS ，使用 与门 产生 进位CC 。
A B C S
0 0 0 0
1 0 0 1
0 1 0 1
1 1 1 0
全加器：
全加器将两个一位二进制数相加，并根据接收到的低位进位信号，输出和、进位输出。
全加器的三个输入信号为两个加数 AA 、BB 和低位进位CinCin。
全加器的两个输出信号分别为本位的和SS、向高位的进位CoutCout。
上图为一位全加器示意图，从图可以看出，我们使用了两个半加器和一个与门实现了一个全加器。
线上演示一位全加器：
我们得到了以下结果：
AA BB CinCin CoutCout SS
0 0 0 0 0
1 0 0 0 1
0 1 0 0 1
1 1 0 1 0
0 0 1 0 1
1 0 1 1 0
0 1 1 1 0
1 1 1 1 1
线上演示二位全加器：
通过在 Circuits.io 演示各种简单电路，我们对数字电路有了一个最最初步的了解。在亲自实践的过程中，我们学到了很多，也逐渐感受到了电路的奇妙之处。
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