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# 小柴冲刺软考中级嵌入式系统设计师系列二、嵌入式系统硬件基础知识（1）数字电路基础

# 一、信号特征

根据电路是否具有存储功能，将逻辑电路划分为两种类型：

• 组合逻辑电路
  • 不含存储功能，它的输出值仅取决于当前的输入值
• 时序逻辑电路
  • 含存储功能，它的输出值不仅取决于当前输入状态，还取决于存储单元中的值

# 二、组合逻辑电路和时序逻辑电路

# 1、组合逻辑电路

组合逻辑电路一般由门电路组成，不含记忆元器件，输入与输出之间无反馈。

常用的组合逻辑电路有：

• 译码器
• 多路选择器

真值表

通常真值表能够完全描述任何一种组合逻辑函数。

布尔代数

布尔代数中有三种典型的操作符：

• OR 或 + |
• AND 与 * &
• NOT 非 — !

门电路

译码器

译码器（Decoder）又称解码器是一种电子设备或电路，它用于将输入的数字信号、编码或模式转换为特定的输出信号、解码或信息。相对的是编码器。

数据选择器和数据分配器

数据选择器又称多路开关，它是以与或门，与或非门为主的电路。

• 它可以在选择信号的作用下，从多个输入通道中选择某一个通道的数据作为输出。
• 可以实现任意组合逻辑函数，四选一的数据选择器可以实现三个变量的组合逻辑函数，2n 个数据输入的多路选择器可以实现 n+1 个变量的组合逻辑函数

数据分配器又称多路分配器，它有一个输入端和多个输出端，其逻辑功能是将一个输入端的信号送至多个输出端的某一个，简称 DMUX，作用与 MUX 正好相反。

• 数据分配器的核心部分实际上是一个带有是能端的全译码器，可以把数据分配器理解为是输出受 X 控制的译码器

# 2、时序逻辑线路

所谓时序逻辑电路，是指电路任一时刻的输出不仅与该时刻的输入有关，而且还与该时刻电路的状态有关。因此，时序逻辑电路中必须含有记忆元器件。触发器是构成时序电路的基础。常用的有寄存器和计数器等。

时钟信号

时钟频率（clock frequency,CF）是时钟周期的倒数。通过高低电平的边沿触发。上升沿 / 下降沿

同步是时钟控制系统中的主要制约条件。

触发器

按照时钟控制方式分类

• 电位触发
• 边沿触发
• 主从触发

按功能分类

• RS 型
• D 型
• JK 型

边沿触发器在 CP=1 期间来到的数据，必须延迟到该 CP 过后的下一个 CP 边沿来到时才会被接收，因此又称延迟型触发器，在 CP 正跳变（对正边沿触发器）意外期间出现在 D 端的数据和不干扰不会被接收，因此有很强的数据抗干扰能力。

至于电位触发器，只要 E 为约定电平，数据到之后就立即接收。

触发器开关的特性。描述触发器的参数有很多

• 描述传输延迟的参数
• 描述各输入波形宽度要求的参数
• 描述各输入波形之间时间配合要求的参数

如果在使用中不满足要求，电路就不能正常工作。

寄存器与移位器

寄存器主要用来接受信息、寄存信息、传送信息

通常采用并行输入 - 并行输出的方式

寄存器中除具有若干触发器以外，还有门电路构成的控制电路，来保证信息的正确接受、发送和清除。

在时钟信号控制下，将所有寄存的信息向左或向右移位的寄存器曾为以为寄存器

# 三、信号转换

# 1、数字集成电路的分类

按照开关元件的不同，数字集成电路可以分为两大类：

• 双极型集成电路
  • 采用晶体管作为开关元件，管内参与导电的有电子和空穴两种极性的载流子。
• 金属氧化物半导体（Metal-oxide Semiconductor）MOS 集成电路
  • 采用绝缘栅场效应晶体管做开关元器件，管子内部只有一种载流子，电子或空穴参与导电，因此又称单极型集成电路。

晶体管 - 晶体逻辑电路（Transistor-Transistor Logic, TTL）是目前双极型数字集成电路中用得最多的一种。

它具有比较快的开关速度、比较强的抗干扰能力以及足够强大的输出幅度，并且带负载能力较强，所以得到了广泛的应用

双极型数字集成电路

• TTL
• 二极管 - 三极管逻辑（Diode-Transistor Logic,DTL）
• 高阈值逻辑（High Threshold Logic,HTL）
• 发射极耦合逻辑（Emitter Coupled Logic,ECL）
  • 优点：工作在非饱和状态，有较高的工作速度，输出阻抗低，带负载能力强，电路内部开关噪声低，使用方便灵活
  • 缺点：噪声容限低，电路功耗大，输出电平的稳定性较差
  • 主要用于高速、超高速数字系统中。
• 集成注入逻辑（Integrated Injection Logic,IL）

MOS 管

• PMOS
  • 问世较早，速度低，很少使用。
• NMOS
  • 集成电路速度稍高，且直流电源电压较低，在工艺上可以制造出开启电压较低的器件
• CMOS
  • 静态功率极低，工作速度较高，抗干扰能力强，使用广泛。

# 2、常用电平接口技术

ECL 的特点是速度快，但抗干扰性能差，功耗也高。

TTL 的应用广泛，成本低廉，有多种类型可供选择。

CMOS 功耗最低，抗干扰性能优良，不仅适用于中、小规模集成电路，而且在大规模集成组件中应用也很普遍。

电平转换

• TTL 与 ECL
  • TTL->ECL
  • ECL->TTL
• TTL 与 CMOS
  • TTL->CMOS
  • CMOS->TTL

# 四、可编程逻辑器件

现场可编程门阵列 Field Programmable Gate Array, FPGA

早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器 PROM、紫外线可擦除只读存储器 EPROM、电可擦除只读存储器 EEPROM

其后出现了一类结构上稍微复杂的可编程芯片，可编程器件 PLD，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的 PLD 由一个与门和一个或门阵列组成。

这一阶段的产品主要有可编程阵列逻辑 Programmable Array Logic ,PAL 和通用逻辑阵列 Generic Array Logic,GAL