[科普中国]-数字计算机电路

计算机中的数字电路按照逻辑功能和电路组成的不同特点 , 可以分为 组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类 。

计算机中的数字电路设计阐述了计算机数字电路中的组合逻辑电路的常用设计方法和时序逻辑电路的常用设计方法。1

组合逻辑和时序逻辑电路的了解所谓组合逻辑电路是指任何时刻输出信号的稳态值仅决定于该时刻各个输入信号取值组合的电路，而输入信号作用所处的电路状态对输出信号没有影响。例如计算机中的编码器、译码器、比较器、半加器、全加器、多路选择器、只读存储器等都属于组合逻辑电路。所谓时序逻辑电路是指在数字电路中，凡是任一时刻的稳态输出不仅取决于该时刻的输入，而且还和电路原来状态有关。例如计算机的计数器、寄存器、顺序脉冲发生器等均属于时序逻辑电路。1

组合逻辑电路的设计方法电路的设计过程：

1、假设两个相加数为Ai、Bi，两二进制数相加的和为Si，相加后向高位的进位为Ci。

2、对应于Ai、Bi分别取不同的组合，Si、Ci得到不同的值。

3、根据真值写出逻辑表达式：因为只有当Ai、Bi的取值组合为01或10时，Si取值才为1。

归纳起来，数字电路中组合逻辑电路的设计可以分为以下几个步骤：

第一步，分析输入量和输出量之间的关系；

第二步，根据分析的结果，列出真值表；

第三步，根据真值表写出逻辑表达式；

第四步，根据逻辑表达式，画出逻辑图。1

时序逻辑电路的设计方法用D触发器实现一个路口的交通灯自动控制器。要求 ：

1.分析设计要求，建立原始状态图和状态表；

2.求出最简激励函数和输出涵数；

3.系统要有自启动功能。

假设：

1)Z1是由左向右行驶车辆的交通灯信号，Z1=1表示绿灯亮，Z1=0表示红灯亮；

2)Z2是由右向左行驶车辆的交通灯信号，Z2=1表示绿灯亮，Z2=0表示红灯亮

3)Z3是人行横道交通灯信号，Z3=1表示绿灯亮，Z3=0表示红灯亮；

4)在人行横道旁有一个人工控制的按钮X，当行人要求穿过人行横道时，须按下按钮X(即X=1)。

5)控制器的时钟信号每一分钟为一个周期。

设计条件：

a)在无行人穿过人行横道时，控制器处于车辆通过状态，控制器控制从左向右和从右向左行驶的车辆交替通过1分钟，人行横道始终保持红灯亮。

b)当有行人要求穿过人行横道时，控制器从车辆通过状态转到行人通过状态，在此状态下人行横道的绿灯亮1分钟，红灯再亮1分钟，在此过程中，道路左右两侧始终保持红灯亮。此后，控制器转入车辆通过状态。

c)控制器仅在处于车辆通过状态时，才响应人工控制按钮的信号。1

某设备数字计算机系统电路板测试技术设计了一种数字计算机系统电路板测试仪，提出了一种基于故障诊断的电路板测试方法。2

组合电路的测试生成算法组合电路的测试生成算法有布尔差分法、D算法、PDEM算法以及FAN算法等。布尔差分法要大量处理文字符号的计算，在计算机上运行有一定的困难。与布尔差分法相比，D算法虽然很容易用计算机来实现，但是其运行过程中存在大量的返回操作，使得计算时间过长。PODEM算法吸收了穷举法的优点，对D算法进行了有益的改进，提高了运算的速度，但是它不能够及早发现不存在解的情况，无效的选择和返回的次数还是很多。针对各种算法所存在的不足，FAN算法采取以下措施，无论是在计算速度上还是减少无效选择和返回次数上都有了很大的提高和改进，具有较强的实用性。

( 1) FAN算法的蕴含操作同时作前后向蕴含，在算法的每一步尽可能多地确定已唯一隐含的信号值；

( 2) 故障值分配给由故障唯一隐含的地方；

( 3) D前沿中只有一个元件时，可以选择一条唯一确定的敏化通路；

( 4) 反向蕴涵只要到主导线即可停止，而不必要再向后作蕴含，主导线的值可以推迟到最后去确认。主导线上的值只要做一次确认即可实现。2

时序电路的测试生成算法时序电路由于内部有存储元件，它的输出不仅决定于当前的输入信号，而且决定于存储元件的状态，因此对于它进行故障检测或故障诊断比组合电路要困难得多。由于组合电路的测试生成不仅在理论上比较成熟，而且有具体的方法和程序可供使用，因此时序电路测试生成的基本思路是：将时序电路先转换成组合电路，然后应用组合电路的测试生成方法进行测试生成。但是时序电路与组合电路之间也存在一些差异：时序电路的初态问题、时序电路测试生成的时限问题以及时序电路中的故障模型和故障传输问题等。

对于时序电路当中的同步时序电路，其测试生成算法是将时序电路转换成组合电路后按照组合电路的测试方法进行测试，其测试生成算法与组合电路相同。对于异步时序电路采用改进的九值算法进行测试向量的生成。九值算法比一般的扩展D算法在作D驱赶时要减少很多次无用的计算，同时它充分考虑了故障在重复阵列模型中的重复影响作用，从而可减少计算机的工作量，而且有可能对用一般D算法无法产生测试的故障产生测试矢量。2

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学