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。