自制微型計算機的原理及設計案例

這是一篇非常有意思的文章，而且無論有沒學過的，每一個人都能看的懂的文章。

注：二進制、數理邏輯、電子學融合在一起，構成了計算機的基礎。

PLC，即可編程邏輯控制器，實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同

一、什么是二進制？

首先，從最簡單的講起。

計算機內部采用二進制，每一個數位只有兩種可能"0"和"1"，運算規(guī)則是"逢二進一"。

舉例來說，有兩個位A和B，它們相加的結果只可能有四種。

這張表就叫做"真值表"（truth table），其中的sum表示"和位"，carry表示"進位"。

如果A和B都是0，和就是0，因此"和位"和"進位"都是0；

如果A和B有一個為1，另一個為0，和就是1，不需要進位；

如果A和B都是1，和就是10，因此"和位"為0，"進位"為1。這句的意思是：1+1=2，逢二進1位；

二、邏輯門（Logic Gate）

布爾運算（Boolean operation）的規(guī)則，可以套用在二進制加法上。布爾運算有三個基本運算符：AND，OR，NOT，又稱"與門"、"或門"、"非門"，合稱"邏輯門"。它們的運算規(guī)則是：

AND：如果( A=1 AND B=1 )，則輸出結果為1。即：都真為真。

OR：如果( A=1 OR B=1 )，則輸出結果為1。即：有一個為真就為真。

NOT：如果( A=1 )，則輸出結果為0。即：取相反。

兩個輸入（A和B）都為1，AND（與門）就輸出1；

只要有任意一個輸入（A或B）為1，OR（或門）就輸出1；

NOT（非門）的作用，則是輸出一個輸入值的相反值。

它們的圖形表示如下：

三、真值表的邏輯門表示

現在把"真值表"的運算規(guī)則，改寫為邏輯門的形式。

先看sum（和位），我們需要的是這樣一種邏輯：

當兩個輸入不相同時，輸出為1，因此運算符應該是OR；

當兩個輸入相同時，輸出為0，這可以用兩組AND和NOT的組合實現。

最后的邏輯組合圖如下：

再看carry（進位）。它比較簡單，兩個輸入A和B都為1就輸出1，否則就輸出0，因此用一個AND運算符就行了。

現在把sum和carry組合起來，就能得到整張真值表了。

這被稱為"半加器"（half-adder），因為它只考慮了單獨兩個位的相加，沒有考慮可能還存在低位進上來的位。

四、擴展的真值表和全加器

如果把低位進上來的位，當做第三個輸入（input），也就是說，除了兩個輸入值A和B以外，還存在一個輸入（input）的carry，

那么問題就變成了如何在三個輸入的情況下，得到輸出（output）的sum（和位）和carry（進位）。

這時，真值表被擴展成下面的形式：

如果你理解了半加器的設計思路，就不難把它擴展到新的真值表，這就是"全加器"（full-adder）了。

五、全加器的串聯

多個全加器串聯起來，就能進行二進制的多位運算了。

先把全加器簡寫成方塊形式，注明三個輸入（A、B、Cin）和兩個輸出（S和Cout）。

然后，將四個全加器串聯起來，就得到了四位加法器的邏輯圖。

六、邏輯門的晶體管實現

下一步，就是用晶體管做出邏輯門的電路。

先看NOT。晶體管的基極（Base）作為輸入，集電極（collector）作為輸出，發(fā)射極（emitter）接地。

當輸入為1（高電平），電流流向發(fā)射極，因此輸出為0；當輸入為0（低電平），電流從集電極流出，因此輸出為1。

接著是AND。這需要兩個晶體管，只有當兩個基極的輸入都為1（高電平），電流才會流向輸出端，得到1。

最后是OR。這也需要兩個晶體管，只要兩個基極中有一個為1（高電平），電流就會流向輸出端，得到1。

七、全加器的電路

將三種邏輯門的晶體管實現，代入全加器的設計圖，就可以畫出電路圖了。

按照電路圖，用晶體管和電路板組裝出全加器的集成電路。

左邊的三根黃線，分別代表三個輸入A、B、Cin；右邊的兩根綠線，分別代表輸出S和Cout。

八、制作PLC

將四塊全加器的電路串聯起來，就是一臺貨真價實的四位晶體管PLC了，開關就是輸入，LED就是輸出，它可以按照我們提前設計好的邏輯計算0000~1111之間的加法。

電路板的下方有兩組各四個開關，標注著"A"和"B"，代表兩個輸入數。

從上圖可以看到，A組開關是"上下上上"，代表1011（11）；B組開關是"上下下下"，代表1000（8）。

它們的相加結果用五個LED燈表示，上圖中是"亮暗暗亮亮"，代表10011（19），正是1011與1000的和。

九、結論

雖然這個四位PLC非常簡陋，但是從中不難體會到PLC的原理。

完成上面的四位加法，需要用到88個晶體管。雖然當代PLC包含的晶體管數以億計，但是本質上都是上面這樣簡單電路的累加。
編輯：hfy