數位邏輯設計基礎:數位邏輯設計的基本建構模組
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數位電路設計 圍繞著客製化積體電路(IC)與微控制器。雖然許多工程師專注於類比系統,但目前市場上大約 70% 的需求是針對數位設計工程師。但數位設計究竟包含什麼?微控制器或 IC 由哪些基本建構模組組成?
類比與數位電路的核心都是電晶體。類比設計通常只使用少數電晶體,但數位設計的規模則完全不同。舉例來說,Apple 的 M4 晶片包含 280 億個電晶體,每個僅 3 奈米——幾乎超乎想像。
為什麼數位設計需要如此龐大的電晶體數量?答案在於數位系統使用二進位邏輯——0 與 1——來運作。本文將探討基本的數位建構模組,包括邏輯閘、記憶元件與功能單元,並揭示它們如何共同驅動現代電子產品。
邏輯閘:數位電路的基礎
邏輯閘是所有數位電路的基本建構模組。它們執行基本的邏輯運算,如 AND、OR 與 NOT,每個閘通常由大約 10 個電晶體構成。
其中,AND、OR 與 NOT 被視為基本閘,而 NAND 與 NOR 則被稱為通用閘,因為它們可以組合出任何數位邏輯功能。其他特殊閘,如 XOR(互斥或)與 XNOR,在算術運算、錯誤偵測與資料完整性檢查中扮演關鍵角色。
邏輯閘本身不儲存資料,因此僅由它們構成的電路稱為 組合電路。每個閘的核心都是電晶體,使其成為數位設計真正的基礎元素。
應用範例包括:
- 加法器與減法器等算術電路
- 訊號編碼與解碼
- 錯誤偵測與修正電路
- 基本閘:AND、OR、NOT 用於執行布林邏輯的核心功能。
- 通用閘:NAND、NOR 能實現任何邏輯表達式。
- 互斥閘:XOR、XNOR 廣泛用於算術、同位檢查與訊號比較。
算術區塊:建構運算單元
當 邏輯閘 以特定方式連接時,便形成能執行 邏輯 與 數學運算 的 算術單元。這些運算共同定義了 算術邏輯單元(ALU)——數位系統的核心處理元件。
ALU 通常包含 加法器、減法器、乘法器、除法器 及其他邏輯單元。所有這些功能都是透過精確排列閘電路來實現,使 閘成為這些電路的基本建構模組。
由於這些電路 不儲存資料,它們被歸類為 組合電路。
資料路由元件:管理資料流
在許多數位系統中,資料必須根據特定條件進行 路由或切換。這由專門的電路處理:
- 多工器(MUX):從多個輸入中選擇一個輸出。
- 解多工器(DEMUX):將單一輸入路由至多個輸出。
- 編碼器:將多個輸入轉換為二進位編碼輸出。
- 解碼器:執行反向操作,將二進位輸入擴展為多個控制訊號。
這些元件同樣屬於 組合電路,因為它們不含記憶元件。通常需要 數十個邏輯閘 才能有效運作。
鎖存器與正反器:基本記憶元件
有了邏輯與算術電路後,我們需要能 儲存資料 的方法。這就是 鎖存器 與 正反器 的用途。它們是數位設計中基本的 1 位元記憶元件——每個可儲存單一值,即 0 或 1。
- 鎖存器為準位敏感裝置,當致能訊號有效時儲存資料。常見範例:SR 鎖存器、D 鎖存器。
- 正反器為邊緣觸發裝置,僅在時脈轉換時改變狀態。常見範例:SR、D、JK 與 T 正反器。
由於它們 保留資料,鎖存器與正反器被歸類為 序向電路。通常需要數十個邏輯閘來實現這些記憶元件。
計數器與暫存器:實用的序向電路
進入更複雜且實用的設計,我們遇到計數器與暫存器,這些是微控制器與處理器中的關鍵元素。
計數器
計數器由正反器、多工器與邏輯閘構成。一個典型計數器可能需要數十個正反器。
類型包括:
非同步(漣波計數器)
同步計數器
上數計數器、下數計數器與上下數計數器
用於事件計數、計時操作與序列產生。
暫存器
暫存器本質上是更大的記憶單元,用於儲存多位元資料,如 8 位元、16 位元或 32 位元資料串流。
暫存器越大,所含的鎖存器或正反器就越多。
暫存器為時脈電路,需要外部時脈訊號來更新儲存的資料。
常見暫存器組態:
PIPO(並入並出)
SIPO(串入並出)
PISO(並入串出)
SISO(串入串出)
這些電路屬於同步或非同步序向電路,取決於它們如何被時脈訊號觸發。
結語:
本文探討了數位設計的基礎元素——從基本邏輯閘到記憶元件、資料路由元件與序向電路。這些建構模組是每個現代數位系統的核心,無論是簡單的控制器還是強大的微處理器。
但理解元件只是第一步。真正的挑戰在於有效組合它們,創造出功能可靠且穩定的設計。在 Digital 101 系列的下一篇文章中,我們將從理論走向實踐,透過交通號誌控制器等實際範例,深入探討時序限制、訊號完整性、功耗與雜訊容限等關鍵因素。
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常見問題:
1. 什麼是數位邏輯設計?為什麼它很重要?
數位邏輯設計是使用 邏輯閘、正反器 與 計數器 等電子元件來建構數位系統的過程。它是所有現代電子產品的基礎,包括 微控制器、處理器 與嵌入式系統。深入理解數位邏輯對於創造可靠且高效能的電路至關重要。
2. 數位電路的基本建構模組有哪些?
基本建構模組包括:
- 邏輯閘(AND、OR、NOT、NAND、NOR、XOR、XNOR)
- 算術區塊(加法器、減法器、乘法器、除法器)
- 資料路由元件(多工器、解多工器、編碼器、解碼器)
- 記憶元件(鎖存器與正反器)
- 用於計時與資料儲存的計數器與暫存器
3. 組合電路與序向電路有何不同?
- 組合電路:輸出僅取決於當前輸入,無記憶元件。範例包括加法器、多工器與解碼器。
- 序向電路:輸出取決於當前輸入與過去狀態,因為它們包含如正反器的記憶元件。範例包括計數器、暫存器與狀態機。
4. 哪些因素會影響數位電路效能?
關鍵因素包括:
- 傳播延遲——訊號通過電路的速度。
- 建立與保持時間——穩定運作的時序需求。
- 扇入/扇出限制——閘能處理的最大輸入與輸出數量。
- 功耗與雜訊容限——對穩定性與能源效率至關重要。
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