《编码——隐藏在计算机软硬件背后的语言》精炼——第12章(二进制加法器)

news2024/11/15 2:16:47

“I hear and I forget. I see and I remember. I do and I understand”——Confucius

人类计算二进制数的方法

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我们先计算本位的结果,称为加法位;再计算是否进位,称为进位位。

搭建二进制加法器

我们用逻辑门来搭建二进制加法器。它的思想与人类计算的思想很相似,先计算加法位,再计算进位位。我们先看如何计算进位位。

搭建单个进位位和加法位

搭建进位位的逻辑电路

进位位的输出表如下所示:
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这和与门的输出是相同的,因此使用与门就可以表示进位位。

搭建加法位的逻辑电路

加法位的输出表如图所示:
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与进位位不同,这个输出表不太容易得到。我们先思考或门和与非门的输出表:

  1. 或门:
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  2. 与非门:在这里插入图片描述

这两个逻辑门的输出表和加法位比较相似。这里使用离散数学的知识,用真值表把我们想要的结果列出来:
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不难看出,我们想要的结果就是

(A OR B)AND(A NAND B)

也就是:
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这个电路可以简化成一个符号,即异或门(XOR),当两个输入不一样时,输出为1。用符号表示就是:
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半加器和全加器

我们将产生加法位和进位位的门连接在一起:
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这就是半加器。用符号表示就是:
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思考一下,我们在做竖式运算的时候,除了个位,其余位都要加上上一位的进位,因此需要一个三个输入的逻辑电路才行(这一位的两个输入和上一位的进位),我们可以用下述电路来表示:
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每一个半加器可以把两个一位的二进制数相加,左上角的进位输入是上一位的进位位。这个电路的原理和竖式运算完全相同。
注意,右下角计算该位的进位输出时,我们也可以用半加器来计算,但经过实践,可以发现不会有两个CO都是1的情况,因此使用或门就可以产生与半加器相同的效果。
这个电路就是全加器,我们用符号表示就是:
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连接全加器

我们的最终目标是要搭建一个8位二进制数的加法器。为此,我们需要连接8个全加器。

  1. 最低位的全加器的进位输入为0,因此用下图表示:
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  2. 中间的全加器是正常用法:
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  3. 最后的全加器需要把进位输出也展示出来:
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最后,我们构建了一个八位的加法器:
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用符号表示就是:
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