image-20240729043433239

我们已经介绍了高级语言、汇编语言和机器语言，接下来我们从硬件架构和逻辑电路来讨论代码运行发生了什么

同步数字系统即Synchronous Digital Systems (SDS)，接下来我们将讨论同步数字系统中的开关(Switches)、晶体管(Transistors)、信号(Signals)、波形(Waveforms)和状态(Status)

设计层次

image-20240730205732162

同步数字系统

  • 同步(Synchronous)：系统有一个时钟信号（心跳），现代时钟频率通常在3到4 GHz范围内。
  • 数字(Digital)：
    • 所有值都用离散值表示
    • 将模拟电压和电流转换为数字信号（0和1）。

开关(Switches)

物理电路的基本要素

image-20240729044213625

image-20240729044225864

我们通常把闭合称为”断言(asserrte)”

晶体管(Transistor)

晶体管的基本概念

  • 半导体：晶体管是半导体器件，有时导电，有时不导电。通过另一电源可以控制其导电性。
  • 放大器与开关：晶体管既可用作放大器，也可用作开关。
  • CMOS技术：现代数字系统使用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，该技术使用电压控制开关。
  • MOS: Metal-Oxide on Semiconductor 即 半导体上的金属-氧化物
  • C为互补：常开和常闭的开关

晶体管的结构与工作原理

  • MOS管起电压控制开关的作用

  • 三引脚器件：晶体管通常有三个引脚——漏极（Drain）、栅极（Gate）和源极（Source）。记住这三个名字的缩写DGS（Drain, Gate, Source）。

    • 如何记忆？：Dan Garcia Says!

  • 电压控制门：

    • 栅极电压高于源极电压时，开关闭合，电流流动；
    • 栅极电压低于源极电压时，开关断开，无电流流动。

下图为N沟道与P沟道晶体管：

image-20240729044904525

  • N沟道晶体管：栅极电压高于源极电压时开关闭合。

  • P沟道晶体管：栅极电压低于源极电压时开关闭合。

    n’s the normal.

    p’s the opposite.

N/P沟道晶体管例子说明

image-20240729045744338

对于这个电路图，有两个需要满足的要求：

  1. 我们总是必须让 y 有一个连接，要么到 0，要么到 3。
  2. 永远不能将 高电平对地、电源对地短路。 即电路中也不得存在 3 伏和 0 伏之间或 1到 0 之间的连接。

N/P沟道晶体管例子说明2

image-20240729050129333

波形(Waveforms)和状态(Status)

Clocks

image-20240730182400160

  • 信号
    • 当仅将数字处理为1或0时
    • 通过导线连续传输
    • 传输是有效即时的
    • 暗示一条导线在某一时刻含有1个值

image-20240730182556584

集群(Grouping)

image-20240730182621219

将头往左偏，X的结果从左到右分别是1010、0110、0001、1000、1110

电路延迟

image-20240730182900811

电路类型

  • 同步数字系统由两种基本类型的电路组成：
  • 组合逻辑( CL )电路
    • 我们前面的加法器电路就是一个例子，
    • 输出仅是输入的函数，
    • 类似于数学中的纯函数，y = f ( x )。(没有办法存储从一次调用到下一次的信息。无副作用)
    • 组合逻辑可能有延迟，但是没有反馈，没有状态。输出只是 输入的函数。
  • 状态元件
    • 存储信息的电路

状态元素来 存储我们的数据、寄存器、缓存、内存、磁盘。所有这些东西都有状态。他们记得 你放在那里的东西。

有状态的电路

https://youtu.be/EQYtPrBWvrU?list=PLnvUoC1Ghb7wJLSxkK0XWdHYjav1Tl3Z9&t=548

这称为寄存器(

image-20240730183533301

  • 它有 n 位输入，n 位 输出，并且有一个加载器。这个小电路表明， 当该电路变高时，会发生一些神奇的事情。因此，当该值变高时， 寄存器将执行以下操作:
    • 假如我是一个登记员，我朝向Output一端
    • 当负载升高时，我转身，获取输入的值并保留它然后转向output输出
    • 当负载变小，无论我背后(input)有什么值，我都不在乎

小总结

  • 时钟控制我们电路的脉冲

  • §电压为模拟量，量化为0 / 1

  • §电路延迟是生活的事实

  • 两类电路：

    • 无状态组合逻辑( & , | , ~)
    • 有状态电路(例如,寄存器)