文档介绍：第三章数字逻辑结构
在第一章中,我们提到计算机是由数量巨大的非常简单的结构所组成。例如,Intel的Pentium Ⅳ微处理器,2000年推向市场,是由超过4千2百万个MOS晶体管制造的。IBM Power PC 750 FX,2002年推出,是由超过3千8百万个MOS晶体管组成。在本章中,我们将解释MOS晶体管作为逻辑单元的工作原理,如何将这些晶体管连接起来组成逻辑门,以及逻辑门是如何被互相连接起来而组成更大的制造计算机所需的单元。在第四章,我们将把这些更大的单元连接起来组成计算机。
首先介绍晶体管。
晶体管
今天的大多数计算机,或者说是大多数微处理器(所对应的计算机的核心)是由MOS晶体管组成的。MOS是金属氧化物半导体的英文缩写。关于半导体的电子特性超出了本书的范围,它位于本书所描述的最底层的抽象之下,也就是说,如果晶体管出现差错,我们就受其控制,无法解决该问题了。不过,也不太可能遇到晶体管出现问题的情况。
在此,我们只需了解MOS晶体管的两种类型:P型和N型。它们都是进行逻辑运算的,其工作原理与墙上的电开关类似。
,包括电源、一个墙上的开关和一盏灯。为了让灯发光,电子必须流动;而为了使电子流动,必须存在一个从电源到灯、再回到电源的闭合电路。通过操作开关可以控制电路的合与开,进而使灯打开或关闭。
我们使用一个N型或P型半导体晶体管来代替开关,控制电路的闭合。,(a)单独出现的晶体管(b)出现在电路中的晶体管。注意,,它们分别被称为栅极、源极和漏极,其命名原因不在本书范围之内。,从源极到漏极的连接就相当于一段电线。使用电子术语来说就是:在源极和漏极之间存在一个闭合回路,即导通。如果N型晶体管的栅极被加以0伏电压,在源极和漏极之间的连接就被断开,在源极和漏极之间存在一个断路,即截止。
、一个电池组和一个灯泡的电路。,晶体管就相当于一段导线,从而形成回路,灯泡发光。当栅极被加以0伏电压时,晶体管则相当于一个断路,电路被断开,灯泡不亮。
。电子工程师通常只显示电源端,而不总是显示出电源和完整的电路。事实上,电源本身对实现完整的电路的贡献是很容易理解的,所以通常不需显示出来。
P型晶体管的工作原理与N型晶体管恰恰相反。。当给栅极提供的电压为0伏时,P型晶体管像一段电线,构成闭合回路;,就出现断路。因为P型和N型晶体管以互补的方式工作,我们称既包含P型晶体管又包含N型晶体管的电路为CMOS电路,即互补金属氧化物半导体电路。
逻辑门
  晶体管之上是逻辑门。也就是说,我们只用MOS晶体管就可以构建基本的逻辑结构。在第二章,我们学****了与、或、非函数的特性。在本章,我们将构建晶体管电路,以实现每一种逻辑函数,相应的电路我们分别称为与门、或门、非门。
非门(或反相器)
,它由两个MOS晶体管构成:一个P型晶体管和一个N型晶体管。。,注意:P型导通而N型截止,因此,。另一方面,,P型截止而N型导通,输出与地(即0伏)连接。
电路的完整表现可以通过列表的方式描述,。如果我们使用符号0代替0伏,,就得到补或非函数的真值表(),与第二章相同。
我们已经显示了如何构建第二章所讨论的非函数的电子电路。我们称该电路为非门,或反相器。
或门与非或门
。。它包含两个P型和两个N型晶体管。
,。在这种情况下,两个P型晶体管下面出现一个断路,。然而,最左边的N型晶体管的作用像一根电线,将输出C与0伏相连。
注意如果A和B都被加以0伏,两个P型晶体管导通,。同时可以注意到,既然两个N型晶体管的作用都是形成断路,所以C与地不相连。
A
B
C
0伏
0伏
0伏
0伏
0伏
0伏
0伏
,则对应的P型晶体管为断路。。