与或非门首尾相连

复习

  1. 第四章：基本逻辑门（与或非三门）是计算机处理二进制信号的基本单元
  2. 第五章：复杂逻辑门是由基本逻辑门组合而成
  3. 第六章到第十一章：设计了加法器、减法器、乘法器和除法器
  4. 第十二章：ALU 是计算机的核心部件，负责执行所有的算术和逻辑运算

TL;DR

  • 与或非门可以通过首尾相连形成更复杂的电路
  • 电路中的反馈可以产生记忆功能
  • 这种记忆功能是计算机存储的基础

正文

引言

　　到目前为止，我们设计的所有电路都是组合逻辑电路，即输出只依赖于当前的输入。但是，如果我们将一个门电路的输出连接到它自己或其他门的输入，会发生什么呢？这就是我们今天要探讨的内容。

门电路的反馈

基本概念

　　当一个门电路的输出连接到输入时，我们称之为反馈。反馈可以是：

  1. 直接反馈：输出直接连接到自己的输入
  2. 间接反馈：输出通过其他门电路后再连接到输入

　　反馈会产生两种可能的结果：

  1. 稳定状态：电路最终达到一个稳定的输出
  2. 振荡状态：输出在不同值之间交替变化

简单的反馈示例

　　让我们看一个最简单的例子：一个非门的输出连接到它自己的输入。

　　这个电路会发生什么？

  1. 假设初始输出为 0
  2. 那么输入就是 0
  3. 非门会将 0 变为 1
  4. 现在输出变成了 1
  5. 这个 1 又会被送回输入
  6. 非门又会将 1 变为 0
  7. 如此循环往复

　　这就形成了一个振荡器，输出会在 0 和 1 之间不断交替。

记忆电路的雏形

基本思路

　　如果我们能够控制反馈，让电路保持在某个稳定状态，就可以用它来存储信息。这就是计算机存储器的基本原理。

一个简单的记忆电路

　　我们可以用两个与非门构造一个简单的记忆电路：

　　这个电路有两个稳定状态：

  1. Q = 1，Q' = 0
  2. Q = 0，Q' = 1

　　一旦电路达到其中一个状态，就会保持在那个状态，直到外部信号改变它。

反馈的应用

  1. 时钟生成器：

    • 利用反馈产生周期性信号
    • 为计算机提供基本的时序

  2. 存储电路：

    • 构建基本的存储单元
    • 是计算机内存的基础

  3. 状态保持：

    • 保持电路的某个状态
    • 用于控制电路

反馈电路的意义

  1. 实现记忆功能：

    • 能够存储信息
    • 为计算机提供记忆能力

  2. 产生时序信号：

    • 提供基本的时钟信号
    • 控制电路的运行节奏

  3. 状态控制：

    • 维持电路状态
    • 实现复杂的控制功能

参考资料

  1. Wikipedia(zh)：触发器：反馈电路的一个重要应用
  2. Wikipedia(zh)：振荡器：利用反馈产生周期信号

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设计师 | 南国微雪