2.3 逻辑门

图2.3是使用晶体管构造的非门的示意图。该电路由5V电源供电。输入（Input）信号可能来自按钮电路，该电路在按钮未按下时输出0V，在按钮被按下时输出（Output）5V。当输入为高电平（接近5V）时，R1限制从输入端流向晶体管基极的电流。在典型电路中，R1的阻值约为1000Ω。R2的值可能为5000Ω。当晶体管接通时，R2限制从集电极流向发射极的电流。

输入端接受0～5V范围内的电压输入，但数字电路操作只对接近0V（低）或接近5V（高）的信号敏感。由于高低状态间的转换是接近瞬时的，因此数字电路中所有状态转化也可以认为是瞬时完成的。

典型的NPN晶体管的开关电压约为0.7V。当输入端保持在低电压（例如0.2V）时，晶体管关断，此时集电极和发射极之间的电阻非常大。这使连接到5V电源的R2将输出信号拉至5V附近的高状态。

当输入信号高于0.7V且范围为2～5V时，晶体管导通，此时集电极和发射极之间的电阻变得非常小，产生的效果是通过一个比R2小得多的电阻，将输出端拉低到接近于0V。因此，输出端被拉低至通常在0.2V左右的低电压。

总结一下该电路的行为，当输入端为高时，输出端为低；当输入端为低时，输出端为高。此功能描述了非（NOT）门，表示输出的逻辑值与输入相反。如果将低信号电平定义为二进制值0，将高信号电平定义为1，则可以在表2.1所示的真值表中总结该门的行为。

真值表是表示逻辑表达式所有可能的输入对应的输出的表格表示形式。每列代表一个输入或输出，输出位于表的右侧。每行表示一组输入值以及由这些输入确定的表达式的输出值。

图2.3中的非门等电路在数字电子中很常见，因此为每种门电路分配了符号表示，以便能够构建可以表示更复杂逻辑功能的更高层次的示意图。

非门的符号是一个在输出端带有一个小圆圈的三角形，如图2.4所示。

三角形代表放大器，意味着这是一种将较弱的输入信号转换为较强的输出信号的器件，圆圈表示取反运算符。

在非门的基础上可以开发更复杂的逻辑运算。图2.5中的电路使用两个晶体管对输入Input ₁ 和Input ₂ 执行与（AND）运算。当两个输入均为1时，与运算的输出为1，否则输出为0。除非两个晶体管都已被Input ₁ 和Input ₂ 信号的高电平驱动，否则电阻R2将输出信号拉低。

表2.2是与门的真值表。简而言之，当Input ₁ 和Input ₂ 输入均为真（TRUE）时，输出信号为真（TRUE，值1），否则为假（FALSE，值0）。

与门也有自己的符号表示，如图2.6所示。

当A或B输入为1，或者两个输入均为1时，或（OR）门的输出为1。表2.3是或门的真值表。

或门的符号表示如图2.7所示。

当A和B输入中只有一个输入为1时，异或（X O R）运算产生的输出为1。当两个输入均为0或者两个输入均为1时，输出为0。异或门的真值表如表2.4所示。

异或门的符号表示如图2.8所示。

与门、或门和异或门都可以用反相输出来实现，门的功能与上一节所述完全相同，只是输出是反相的（表2.2、表2.3和表2.4的输出列中的0替换为1，1替换为0）。具有反相输出的与门、或门和异或门的符号表示是在符号的输出端添加了一个小圆，就像在非门的输出一样。具有反相输出的门的名称为与非（NAND）门、或非（NOR）门和异或非（同或，XNOR）门。这些名字中的字母“N”表示非。例如，NAND表示NOT AND，其功能等同于与门后跟一个非门。

可以将简单的逻辑门进行组合来实现更复杂的功能。多路选择器是根据选择器的输入状态，从多个输入中选择一个并送到输出的电路。图2.9是两输入多路选择器的示意图。

I ₀ 和I ₁ 是两个一位的数据输入，当选择器输入A为高电平时，将I ₀ 的值送到输出Q；当A为低电平时，将I ₁ 的值送到输出Q。多路选择器在处理器设计中的一个用途是从多个数据源中选择一个作为输入数据来加载内部寄存器。

两输入多路选择器的真值表如表2.5所示。在该表中，值X是“无关项”，表示在确定输出Q时该信号是什么值无关紧要。

在任何时刻，如果电路输出仅取决于输入的当前状态，则这类电路称为组合逻辑电路，本节给出的逻辑门以及由它们组合而成的电路就是组合逻辑电路。目前，我们忽略传播延迟，并假设输出立即对输入的变化做出响应。换句话说，输出不依赖于先前的输入值。组合逻辑电路没有对过去的输入或输出进行存储。下节将介绍能够对过去的操作进行存储的一些电路。