8.3.1 门电路的重要意义
上面这图在2.1.2中就提过，从这张图中可以看出，门电路在计算机组成中所处的重要位置。
8.3.2 门电路的作用和分类
（1）门电路的作用
门电路的作用就是，数字电路会使用门电路进行算术和逻辑运算。
（a）人做算数运算和逻辑运算
·人做算数运算：1098+1234 = ？
·人做逻辑逻辑运算
与运算：下雨 与 出去 就带伞，下雨与出去同时满足就带伞，这就是与运算。
或运算：坐飞机 或 做火车从深圳去北京，这就是或运算。
非运算：不吃饭就是吃饭的非运算。
（b）计算机（数字电路）也要进行算术和逻辑运算
比如以基本的与、或、非为例：
与：1(2.5v) & 1(2.5v) = 1(2.5v)
或：1(2.5v) | 0(0v) = 0(0v)
非： ！(2.5v) = 0(0v)
在计算机（数字电路）中，0/1为对应的0v和2.5v电信号，需要使用门电路，实现对数字电信号表示的二进制数据进行运算，因此，门电路是构成计算机的基本数字电路。
（2）常见的门电路列举
与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种，数字电路使用这些门电路，就可以实现算术运算和逻辑运算。
8.3.3 三极管是如何构建门电路的
接下来我们会以“与非门”为例，介绍三极管是如何构建“与非门”的，其它的门电路都是以同样的方式构建，只要你明白这个例子，你也就大概的了解了，所有的这些个门电路是如何通过三极管构建的。
（1）与非逻辑理解
为了讲明白“与非”的逻辑，我们需要先看下“与”的逻辑，对比理解就能知道“与非”是什么含义了。
（a）生活中的例子
·“与”的逻辑：今天 小明来 与 小花来 我就出去郊游。
·“与非”的逻辑：今天 小明来 与 小花来 我就 不 出去郊游，不就是“非”。
以上的逻辑是由人脑所实现的逻辑运算，人实现逻辑运算的过程非常自然，如果不告诉你这就是逻辑运算，你都不知道这就是逻辑运算。
（b）计算机的例子
·“与”逻辑：
-1（2.5v） 与 1（2.5v） 输出 1（2.5v）
- 1（2.5v） 与 0（0v） 输出 0（2.5v）
·“与非”逻辑：
- 非（1（2.5v） 与 1（2.5v）） 输出0（0v）
- 非1（2.5v） 与 0（0v） 输出 0（2.5v）
以上数字电信号形式存在的数据，需要通过“与非门”电路才能实现相应的与非运算。
（2）“与非门”电路符号
理工科的同学对于逻辑运算应该是比较熟悉的，不熟悉的同学可以关注我们后面的《数字电路》的课程，我们会对逻辑运算进行深入讲解，并详细介绍门电路是如何实现这些逻辑运算的。
（3）与非门的三极管组成图
（4）分析电路图，看看三极管组成的“与非门”电路是如何进行逻辑运算的
（a）例1
非 与
0/1 表示： ! ( 1 & 0 ) = 1
电压表示： ！（2.5v & 0v） = 2.5v~5v
（b）例2
非 与
0/1 表示： ! ( 1 & 1 ) = 0
电压表示： ！（2.5v & 2.5v） = 0v
例子2请自行分析，不过你会发现分析起来很困难，并不像例子1那样容易，至于为什么是这样呢？例1中只用到了三极管的开关功能，但是例2还有到了三极管的放大功能，大家不会分析三极管的放大功能，之前讲三极管时，我们也没有详细讲三极管放大功能的具体分析，因此相比开关功能来说，放大功能比较难分析些。
我们在后续的《模拟电路》这门课中，我们详细的讲清楚了三极管的“放大、饱和、截止”三个状态后，再来分析这个这个电路，你就会分析了，如果对三极管工作原理非常感兴趣的同学请看我们后面的《模拟电路这门课》。
大家不要想着搞清楚所有门电路的三极管组成电路，原理都是大同小异，如果你不是做微电子的，这么做没有意义。
8.4 触发器、组合电路和时序电路
8.4.1 触发器、组合电路、时序电路在计算机构建中地位
8.4.2 触发器
（1）触发器的
1）功能：记忆功能。
就是当某些条件下满足时，触发器的输出可以一直保持1（高电平）或者0（低电平），这个有什么好处呢？
2）什么是记忆作用呢
好处就是使用触发器可以构建出寄存器、缓存、内存等。
有关触发器构建存储器的知识，在后面紧接着讲的存储器时还会再次介绍。
（2）门电路构建触发器举例
比如下图的RS触发器，由两个“与非门”组的，那么门电路是如何构建触发器的呢。
这里只是希望通过RS触发器，让大家了解门电路是如何构建出触发器的，重点并并不是介绍RS触发器，为了避免问题复杂化，我们这里不在讲解RS触发器的工作原理，如果你确实想学习触发器的知识，请看后续的《数字电路》课程。
（3）对于触发器知识
其实除了RS触发器外，还有D触发器、JK触发器等，对于偏向编程开发的it工作者来说，了解到这个层级就ok了，但是对于微电和硬件工程师来说就必须深入理解，还是你那句话，如果你对触发器工作原理感兴趣，请看我们后面的《数字电路》课程，里面会有详细讲解。
8.4.3 组合电路
（1）组合电路的作用
组合电路的用途有很多方面，为了能让大家对快速理解组合电路的用途，这里举了一个3-8译码器，这样一个简单的组合电路例子，通过这个例子大家就能快速理解组合电路使用干嘛的。
（2）3—8译码器
1）3-8译码器功能
这张表已经非常清楚的描述了3-8译码器的功能，功能就是根据输入来选择某根线输出，比如输入011（3）的电平信号，输入后，译码器发现输入的二进制数为3，表示要选择第三根线输出1(2.5v），其它线全部输出0。
2）其它译码器
译码器除了3-8译码器外，4-16译码器外，还有n-2n等等译码器，输入输出线的数量需要根据自己使用情况来定。
4）3-8译码器应用举例：使用3-8译码器进行寻址
如果我希望从内存地址为011这个地址的字节都数据，那么就一定要通过地址线发送地址给内存，内存根据输入的地址选择011地址对应的这个地址，我们以只有8个字节的内存为例，讲解3-8译码器是如何实现寻址的，对于只有8字节的内存来说，
（a）地址数量：既然内存只有8字节，那么每个地址对应一个地址，只需要8个地址
（b）地址线根数：只有8个地址，那么二进制的地址范围为000-111，那么只需要三根地址线就能表示000-111的地址。
（3）门电路如何构建3-8译码器这个组合电路
从这张图中可以看出，3-8译码器就是由各种门电路组成的，通过这张图只是想告诉大家，3-8译码器这个组合电路，是如何通过门电路构成的。我们这里就不再分析这个3-8译码器具体是如何工作。
8.4.4 时序电路
（1）时序电路的作用
要说清楚时序电路是干嘛的，先得弄清楚时序是个啥东西
1）先从人的时序说起
（a）人也是需要时序的
·人的工作和生活也是有时序的，人的时序其实就是时间安排
·只是我们很少把生活中的时间安排以时序的方式来看待
·人的时序安排，基本是以小时为单位进行，时序安排就是工作时间表。
（b）以工作为例，看时序的重要性
·我们平时的工作是由很多人和组织共同而成的
·各自严格按照自己的工作时序进行做事，就能和其它人或者组织精确的配合上，否者就会紊乱，比如错过了重要客户的约见等。
（c）生活中时序举例
（d）对于时序来说，统一时钟的重要性
为了让每个人或组织时序，能够准确的对上，必须要有统一的时钟参考，这也是以前为什么总是要对表的原因，不对表的话，两个手表的快慢不一样，各自参考时间标尺就会不同，肯定配合不上，特别是在打仗的时候，发起总攻时，对表是必须的，不然这边已经总攻了，那边还在干等着。
人的时序是以人的时钟（24小时）进行安排的，最小单位为S，比S还小的时间单位对于人来说已经没有什么意义了，因为人对s以下的时间敏感度不高。
（e）再看看时序
时序就是各单元（比如人）工作的“时间顺序”，因为所有人和组织的时序，都是参考统一的时钟进行安排的，那么各自只要严格准守自己的时序工作，就能很好的配合上。
2）计算机中的时序
（a）计算机时序的作用与重要性
计算机由各种不同的电子部件组成，所以每个部件需要有自己的工作时序，各自的时序是按照统一的“时钟”制定的，各部件只要严格准守自己的时序，才能严密的配合工作，否者就会紊乱，导致计算机不能正常工作。
（b）计算机中时序举例子
比如计算机的两个芯片要通信，双方就需要遵守一定时序安排才能通信成功。
数据的传输就是数据的读写，只有当发出读写控制后，才会进行数据传输，才能通信成功，因此读写控制时序和数据传输时序必须要严密对上，否者通信就会因为时序紊乱而失败。上面的这张时序图只是为了让大家便于理解而画的伪时序图，有关时序，我们会在后续嵌入式课程中(特别是单片机)详细讲解。
（c）同样，对于计算机的时序来说，统一时钟也非常重要
·各部件（芯片）遵照统一时钟进行安排的时序，才能严密配合上
·人使用的时钟是不能给计算机使用的，因为人的时钟精度只能到S，但是计算机工作的速度是ns级别，因此需要ns级别的时钟
·计算机的时钟就是晶振，晶振每隔xxns就会震动一次，产生一个时钟脉冲，这个时钟脉冲就是计算机时钟的最小时间位。
3）时序电路重要作用
（a）什么是时序电路
时序电路就是根据输入的统一钟（晶振）时钟为参考，为相应电子部件（芯片）产生该要的时序，根据该时序，每隔固定的时间(xxxns)发出一个高或低电平脉冲，别人这个脉冲信号的指示，就知道是要动作来配合你的工作了。
（b）分频和倍频
·通过s/m/h理解分频和倍频
-分钟m的60倍频就是h
-分钟m的60分频就s
·时序电路的分频和倍频
时序电路为了产生新频率的时序脉冲信号，产生新频率的脉冲，关键就是分频和倍频,有关时序电路的分频和倍频，会在后续的的单片机课程中详细讲解。
（c）几乎每个芯片都有自己的时序电路
因为都需要根据输入的时钟信号，产生属于自己的“时序”脉冲。
（2）时序电路组成
时序电路是由门电路和触发器共同组成，比如下图74LS164（74LS164主要用在移位寄存器中）时序芯片时序电路。
同样我们这里不讲解这个时序电路的具体工作原理，有关时序电路的工作原理，会在后续的《数字电路》课程中会涉及。
（3）时序电路知识点要求
微电工程师：非常清楚时序电路的工作原理
硬件工程：深入了解它的各个参数指标（也就是电器特性），学会如何使用这个硬件芯片。
嵌入式软件工程：时序电路都会有相应时序图，需要根据时序图写程序控制硬件。
74LS164产生的时序：
时序图其实并不复杂，但是很多初学的同学还是感觉很复杂，看懂时序图需要一定的基本功，在后面的单片机和linux嵌入式课程中，都会讲解时序相关度的课程，通过后面的学习，只要看懂了一两个个时序图，当你掌握了其中的门道后，你会发现时序图原来也不过如此。
8.4.5 触发器、组合电路和时序电路的对比
（1）共同点：都由门电路组合而成，门电路再由三极管构成。
（2）区别
1）触发器：具有记忆功能
2）组合电路：不具有记忆功能，为了某个特定的功能，纯粹使用门电路组合构成
3）时序电路：用于设计计算机（主要是各类芯片）用的时序电路，由门电路、触发器共同构成
8.5 cpu如何由触发器、组合电路、时序电路构成的
8.5.1 回忆cpu中的结构
在介绍计算机结构时，我们就了解到CPU是由运算器、控制器和寄存器组等这几个基本功能单元组成，
运算器：由组合电路实现。
控制器：由组合电路+时序电路实现
寄存器组：由触发器实现
8.5.2 CPU的运算器
运算器最核心的就是ALU（Arithmetic Logical Unit），ALU分成两部分，
算术运算单元：加法器
逻辑于运算单元：逻辑运算器
加法器和逻辑运算器均由组合电路的全加器实现。
1）全加器
全加器专门实现二进制的加法运算，有了加法运算，其它的减法、除法、乘法等都能通过加法实现。
（a）只进行一位运算的全加器
下图就是一个只进行一位相加运算的全加器，全加器是一个组合电路。
AB：加数、被加数
Cin：前一位相加后的进位
Sum：相加后的和
Cout：相加后的进位
（b）实现两位二进制数相加的全加器
比如01+11，必须使用两个上面的全加器级联，级联的时候将上一级的Cout和下一级的Cin连在一起，
（c）三位或以上的多为全加器
同理进行多次级联。
2）半加器
与全加器对应的还有一个半加器，半加器和全加器的区别就是，半加器不计算进位，但是全加器需要计算进位。
8.5.3 控制器
由组合电路+时序电路实现，其中控制器最核心的部分就是译码器，译码器就有时序电路构成，控制器比较复杂，这里制作简单介绍。
8.5.4寄存器组
功能：小容量临时存储器，临时存储数据，供CPU快速访问用。
组成：寄存器组由很多寄存器叠合而成，每个寄存器由触发器组成，一个触发器就是一个bit位。
在后面介绍存储器时，还会介绍寄存器相关的内容。
8.5.5 有关cpu内部组成知识的掌握
微电工程师的：需要设计和集成cpu芯片，要求对cpu内部结构非常清楚。
硬件工程师（电路设计）：了解内部结构，清楚cpu的电气特性和各项指标。
软件工程师：特别是嵌入式软件工程师，需要清楚cpu工作原理，关键是并了解该cpu的指令系统，也就是了解汇编，汇编学会了计算机的工 作原理也就清楚了。
纯软件开发：比如web，移动APP，游戏等软件开发，一个合格的IT工程师，也必须要了解CPU的工作原理，最好的方式就是通过学习汇编来 了解，因为汇编指令是完全遵照CPU的工作原理进行设计的，因此汇编清楚了，计算机的工作原理也就清楚了。
在后续单片机、stm32和arm裸机课程，对于cpu的工作原理会讲解，希望深入学习，可以看后面的课程
作者：佳嵌工作室
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