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数字逻辑电路

1. 数字逻辑概论

数字电路则是用于处理数字信号的电路系统，它包括逻辑电路、存储器、微处理器、接口电路等组成部分。数字电路可以完成各种复杂的计算、控制、通信等任务，广泛应用于计算机、通信、消费电子等领域。

逻辑电路是数字电路的基础和重要组成部分。

逻辑电路是处理数字信号的电路，用于实现基本的逻辑运算和逻辑功能。

它主要包括与门、或门、非门等基本的逻辑门电路，这些电路通过对输入信号的逻辑运算，产生相应的输出信号。逻辑电路的输出状态只有两种，即高电平和低电平，对应于二进制数中的1和0，因此逻辑电路也被称为二进制逻辑电路。

因此，可以说逻辑电路是数字电路的基础和重要组成部分，但数字电路还包括其他许多复杂的电路和系统。在数字电路设计中，逻辑电路是实现各种数字逻辑功能和算法的基础，通过组合和配置不同的逻辑门电路，可以实现各种复杂的数字电路系统。

1.1 数字信号与数字电路

1.1.1 概念

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。

1.1.2 发展历史

1948年，贝尔实验室制成第一只晶体管（Wllliam Shockley）
1958年，集成电路（Jack Kilby）
1969年，大规模集成电路
1975年，超大规模集成电路

1.1.3 分类

有无集成元器件
功能
集成电路的集成度
半导体器件

1.1.4 优点

稳定性好，可靠性高
可长期存储
便于计算机处理
便于高度集成化

1.1.5 数电与模电的区别

工作任务不同
三极管的工作状态不同
模拟信号与数字信号

1.2 数制

概述：数字电路所处理的各种数字信号都是以数码（一种符号）形式给出的，用数码表示数量的大小时采用的各种计数进位制规则称为数制
进位制：多位数码每一位的构成以及从低位到高位的进位规则
基数：数制所使用数码的个数
位权：在某一进位制的数中，每一位的大小都对应着该位上的数码乘上一个固定的数，这个固定的数就是这一位的权数，权数是一个寡
常用的进制

二进制的算术运算当两个二进制数码表示两个数量大小时，他们之间可以进行数值运算，这种运算称为算术运算

1.3 编码（二进制编码）

1.3.1 概念

用二进制数表示各种数字或符号的过程称为编码。

1.3.2 原码、反码和补码

原码：最高位是符号位，0代表正数，1代表负数，非符号位为该数字绝对值的二进制。
反码：正数的反码与原码一致，负数的反码是对原码按位取反，只是最高位（符号位）不变。
补码：正数的补码与原码一致，负数的补码是对原码按位取反加1，符号位不变。

1.3.3 常见编码（2421BCD，5421BCD和8421BCD码、余3码）

余3码：在8421BCD码基础上加 3 得到

1.3.4 奇偶校验码

奇校验：一组二进制代码的数位中 ‘1‘ 的个数为奇数，校验位为0；偶数为1
偶校验：一组二进制代码的数位中 ‘1‘ 的个数为偶数，校验位为0；偶数为1

1.4 逻辑函数及其表示方法

逻辑变量：输入逻辑变量和输出逻辑变量。
逻辑函数：描述输入逻辑变量和输出逻辑变量之间的因果关系。由于逻辑变量是只取0或1的二值逻辑变量，因此逻辑函数也是二值逻辑函数。
逻辑函数的表示方法：

2.电平

定义：电平是指两功率或电压之比的对数，有时也可用来表示两电流之比的对数。电平的单位通常用分贝（dB）表示。

电平在电路中是一个重要的物理量，它通过电压的不同值来表示不同的逻辑状态、信号强度或数值。电平有绝对电平和相对电平之分，同时也有功率电平和电压电平两种类型。

在数字电路中，电平是描述电路中的电压状态或信号状态，通常用于表示逻辑1（高电平）和逻辑0（低电平）。例如，在TTL（晶体管-晶体管逻辑）电平标准中，高电平通常定义为2.4V至5V，低电平定义为0伏至0.8伏。电平在数字电路、模拟电路和通信系统中起着至关重要的作用，是实现信息处理和传输的基础。

在模拟电路中，电平通常以毫伏(mV)、伏(V)或安培(A)等单位进行测量。例如，常见的电路电平包括毫伏计电平(mV)、千赫兹电平(kHz)、分贝电平(dB)等。其中，毫伏电平通常用于测量微弱信号，而伏电平则用于测量较大电压的信号。电平的高低反映了信号的强弱或大小，高电平时信号强度较大，低电平时信号强度较小。

在计算机领域，电平信号是计算机硬件之间通信的基础。计算机的核心硬件，如中央处理器（CPU）、内存（Memory）、硬盘（Hard disc）和显卡（Graphics card）等，都通过电平信号进行数据传输和通信。电平信号只有两种状态：高电平和低电平，分别用1和0表示，这是计算机采用二进制系统的基础。

3. 逻辑门电路

3.1 逻辑门电路简介

3.1.1 基本门电路（与或非）

概念：用以实现基本逻辑和复合逻辑运算的单元电路称为门电路，或逻辑门
正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0
负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0
与（AND）符号：“·”，Y=A·B
或（OR）符号：”+”，Y=A+B
非（NOT）符号：“ ‘ 或 ^— ”，Y=A’

3.1.2 复合门电路

复合门电路又称组合门电路，由基本门电路组合而成（与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门）。

与非门
或非门
与或非门
异或门
同或门

3.2 晶体管

定义：晶体管（Transistor），是一种固体半导体器件，包括二极管（二端子）、三极管、场效应管、晶闸管（后三者均为三端子）等，具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等功能。
分类：三端子晶体管主要分为两大类

3.3 MOS管及其开关特性

近年来，数字电路基本上都是由 MOSFET 场效应管构成的，简称MOS管。MOSFET是一种在施加电压后可以像开关一样工作的半导体器件。按照导电载流子的不同，MOSFET分为N沟道MOS（NMOS）管和P沟道MOS（PMOS）管。按照导电沟道形成机理的不同分为增强型和耗尽型。

3.4 CMOS门电路

定义：CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）是互补金属氧化物半导体的缩写，是一种场效应管构成的逻辑电路。

CMOS集成电路的性能及特点 :CMOS技术具有低功耗、高集成度和抗干扰能力强等优点。

因此在电子行业中得到了广泛的应用。CMOS电路的速度相对较慢，传输延迟时间长（25-50ns），但其功耗很低。CMOS的逻辑电平范围比较大，一般在5V～15V，高低电平之间相差比较大，抗干扰性强。CMOS电路是电压控制器件。

看下图：CMOS集成门电路是由PMOS场效应管和NMOS场效应管以对称互补的形式组成的。这种电路结构利用了P型和N型金属氧化物半导体场效应晶体管的互补性，以实现低功耗、高速度和高噪声抑制能力的电路。

C51和STM32都是基于CMOS技术的电路,CMOS技术为C51和STM32等微控制器提供了高性能、低功耗和可靠性的基础。

C51单片机是一种集成中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、定时器/计数器以及I/O输入输出接口等功能于一体的小型计算机芯片。其中，CPU主要由算术逻辑部件、控制器和专用寄存器3部分电路组成。

而STM32则是一种基于ARM Cortex-M内核的32位Flash微控制器，其内部也使用了CMOS技术。在STM32中，会涉及到如晶振电路、复位电路、烧录口和串口电路等组件，这些组件与CMOS技术紧密相关。

3.5 TTL逻辑门电路

定义：TTL（Transistor-Transistor Logic）全称晶体管-晶体管逻辑电路，主要由BJT（双极结型晶体管）和电阻构成。

TTL电路具有速度快的特点，传输延迟时间短（5-10ns），但其功耗相对较大，一般在1～5mA/门。TTL的输出高电平通常大于2.4V，输出低电平通常小于0.4V，但在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。TTL电路是电流控制器件，只能在5V下工作。

在数字电路设计中，TTL和CMOS是两种常见的逻辑电路技术。但是，在现代的微控制器和单片机中，尤其是基于CMOS技术的，内部的逻辑电路通常不会明确标注为TTL或CMOS，因为它们已经融合在了单片机的设计中，并且使用了优化的CMOS技术来实现低功耗、高速度和可靠性。

STC89C5xx系列单片机是基于8051内核的微控制器，内部包含了大量的CMOS逻辑电路、存储器和外设接口，以实现各种控制和数据处理功能。这些单片机通常用于嵌入式系统设计中，因为它们具有高性能、低功耗和易于编程的特点。

3.6 TTL 电路和 CMOS 电路的比较

虽然TTL（晶体管-晶体管逻辑）电路在某些方面有其优势，但CMOS（互补金属氧化物半导体）电路在功耗方面通常具有更低的功耗，这也是为什么CMOS在许多应用中更受欢迎的原因。以下是关于CMOS功耗较低以及为什么不全用TTL的一些解释：

功耗：CMOS电路的主要优势之一是其低功耗特性。CMOS电路在稳态时几乎不消耗能量，只有在电路状态发生翻转时才会有功耗。而TTL电路则是由三极管组成的，三极管是电流驱动型器件，稳定时损耗高，发热量大，因此功耗相对较高。
噪声容限：CMOS电路具有较高的噪声容限，这意味着它可以在噪声较大的环境中正常工作。而TTL电路的噪声容限相对较低，可能更容易受到噪声的干扰。
工作电压：TTL电路的工作电压通常较高（通常为5V），而CMOS电路的工作电压可以更低，例如1.8V、2.5V、3.3V等。这使得CMOS电路在低电压应用中更具优势。
集成度：由于CMOS电路具有较低的功耗和较高的噪声容限，因此可以更容易地实现高集成度的设计。而TTL电路由于功耗较高和噪声容限较低，可能无法实现相同程度的集成度。

至于TTL（晶体管-晶体管逻辑）技术，它是一种较早的集成电路技术，与CMOS技术有所不同。TTL电路通常使用晶体管作为开关元件，而CMOS电路则使用互补的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。TTL电路具有较快的速度和较高的噪声容限，但在功耗方面相对较高。

尽管TTL电路在某些方面有其优势，例如速度快和兼容性强，但在功耗方面，CMOS电路具有明显的优势。此外，随着技术的发展和工艺的改进，CMOS电路的速度也在不断提高，因此在很多应用中，CMOS电路已经取代了TTL电路成为首选。

TTL 电路和 CMOS 电路的逻辑电平关

①VOH：逻辑电平 1 的输出电压。

②VOL：逻辑电平 0 的输出电压。

③VIH：逻辑电平 1 的输入电压。

④VIL：逻辑电平 0 的输入电压。

TTL 电平临界值： ①VOHmin=2.4V，VOLmax=0.4V。 ②VIHmin=2.0V，VILmax=0.8V。

CMOS 电平临界值（假设电源电压为+5V）：

①VOHmin=4.99V，VOLmax=0.01V。

②VIHmin=3.5V，VILmax=1.5V。

单片机是一种数字集成芯片，数字电路中只有两种电平：高电平和低电平。为了让大家在刚起步的时候对电平特性有一个清晰的认识，我们暂时定义单片机输出与输入为TTL电平，其中高电平为+5V，低电平为0V。计算机的串口为RS232 电平，其中高电平为-12V，低电平为+12V。这里强调的是，RS232C电平为负逻辑电平，比如MAX232电平转换芯片。因此当计算机与单片机之间要通信时，需要依靠电平转换芯片。

常用的逻辑电平还有很多，比如TTL、CMOS、LVTTL、RS-232、RS-485等。其中TTL和CMOS的逻辑电平按典型电压可分为四类：5V系列（5VTTL和5VCMOS）、 3.3V 系列，2.5V系列和1.8V系列。 5V TTL 和5V CMMOS是通用的逻辑电平。3.3V及以下的逻辑电平被称为低电压逻辑电平，常用的为LVTTL电平。低电压逻辑电平还有2.5V和1.8V两种。 RS-232 和 RS-485 是串口的接口标准，RS-232是单端输入/输出。RS-485是差分输入/输出。 TTL 电平信号用的最多，这是因为数据表示通常采用二进制，+5V等价于逻辑1，0V等价于逻辑0，这被称为TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统。 CMOS 电平VCC可达12V，CMOS电路输出高电平约为0.9VCC，而输出低电平约为0.1VCC。CMOS电路中不使用的输入端不能悬空，否则会造成逻辑混乱。另外，CMOS集成电路电源电压可以在较大范围内变化，因而对电源的要求不像TTL 集成电路那样严格。

5. 触发器

在数字电路中，触发器（Flip-Flop）是一种具有记忆功能的逻辑电路单元，能够存储一位二进制信息。它有两个输出状态，通常表示为0和1（或低电平和高电平）。

触发器可以在特定的输入条件下改变其输出状态，并在没有输入信号时保持输出状态不变。

触发器在数字电路中有多种应用，包括存储信息、实现计数、寄存器、状态机等功能。它们可以在时钟信号的作用下，根据输入信号的状态更新输出状态，从而实现各种时序逻辑功能。

触发器具有存储功能，可以在时钟信号的作用下将输入信号的状态存储到内部的存储单元中，并在时钟信号的边沿或电平变化时更新输出状态。此外，触发器还可以引入延迟，使得输出信号的变化与输入信号的变化之间存在一定的时间差，这种延迟可以用于同步电路设计和时序控制。

触发器的分类：如RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器等。这些触发器具有不同的输入条件和输出行为，可以根据具体的应用需求选择合适的触发器类型。

例如，在STM32的ADC（模拟-数字转换器）应用中，通常会使用定时器（Timer）来触发ADC的启动转换。这里的定时器可以看作是一个事件触发的源，当定时器满足特定条件（如达到设定的计数值）时，会触发ADC进行转换操作。这种机制类似于数据库中的触发器，即当满足某个条件时，自动执行一系列操作。

6 .寄存器

寄存器是CPU、主存储器和其他数字设备内部用于存放数据的小型存储区域。

寄存器通常由多个触发器构成，具有读写速度高、寄存器间传输速率快的特点。寄存器可以存储二进制数据，包括整数、浮点数、地址等，用于执行计算、存储临时结果、保存程序执行的状态等。

在STM32中，寄存器是CPU内部的重要构造，用于存储和处理数据。它们对于微控制器的运行至关重要，因为它们存储了程序执行所需的指令和数据。

7. 存储器（Memory）

7.1 存储器的分类及特点

磁盘：magnetic disk

定义存储器是数字电路系统中具有记忆功能的部件，由大量的记忆单元组成用来存放二进制数表示的程序或数据
组成构成存储器的存储介质主要采用半导体器件和磁性材料。存储器中**最小的存储单位就是一个双稳态半导体电路或一个CMOS晶体管或磁性材料的存储元，**它可存储一个二进制代码。由若干个存储元组成一个存储单元，然后再由许多存储单元组成一个存储器
分类
计算机中的存储器

7.2 顺序存储器（SAM）

Sequential Access Memory

定义：是一种读/写存储器，其中数据按照一定顺序串行的写入和读出
组成：由动态移存器组成的，动态移存器则是由基本的动态移存单元组成的，
动态移存单元：由MOS管构成，所以称为MOS移存单元，CMOS为常见的动态移存单元

7.3 只读存储器（ROM）

Read Only Memory

ROM分类
ROM按构成器件分类

7.3.1 EPROM可改写只读存储器

浮栅：Floating gate

EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）具有可写入数据，在紫光灯的照射下可以将写入的数据擦除，再重新写入数据的特点，
结构：与ROM结构类似，存储单元不同，由一种层叠栅MOS管代替普通MOS管

7.3.2 EEPROM电可改写只读存储器

隧道氧化层：Tunnel Oxide

EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）具有可写入数据，在电压的控制下并且可以将写入的数据擦除，再重新写入数据的特点
结构：与EPROM很相似，不同之处在于EEPROM的叠层MOS管的浮置栅极上增加了一个隧道管，在电压的控别下，浮置细极上的电子可以通过隧道管放掉