SICI · 天机门 · 第二章

组合逻辑电路:计算的基本单元 · 炼气二层

门接起来就能算一切——这句话,延迟之魔说对了一半。

门楣刻字:「输入进、门算、输出出、不留痕」
序章

算器之胚

哪件里没有组合逻辑?

筑基试炼的门是冷的。门楣上"组合"二字由无数细如发丝的蓝光勾出,像一张还没接通的电路图。

筑基试炼门楣上组合二字由蓝光勾出如未接通电路图,手中握着温热逻辑门石子

你攥着上一章炼成的逻辑门——与、或、非,几颗温热的小石子。你觉得它们已经够了。

延迟之魔 延迟之魔

「把门接起来,就能算。加法、比较、抉择——人能算的,它们都能算。打个赌吧——你造一个 32 位的加法器,又对、又快。我替你记账,每一级延迟都记。」

反直觉下注 · 哪件里没有组合逻辑电路?

先下注,指认一件。猜错,延迟账本记一笔。👆 点击下方按钮下注

你刚点亮的每一件东西里,都藏着同一句咒语:输入进、门算、输出出、不留痕。这就是组合逻辑。它没有记忆——这是它的力量,也是它的命门。
第一幕 · 自信

辨图台 · 从电路到真相

别猜——推。从输入走到输出

石径尽头是一面悬空的电路图,门与门之间蓝线纠缠,像一张没有标签的网。

诺依曼老祖 诺依曼老祖

「读它。别猜——推。从输入走到输出,每经过一个门,写下它做了什么。」

延迟之魔 延迟之魔

「一眼就能看出来吧?干嘛费劲。猜嘛。」

电路分析 · 探针逐门推导

先猜功能(四选一),再拖探针逐门推导,填真值表。

先下注猜测功能,推导台才解锁。
电路不会说谎,它只是等你推完。猜得到的是运气,推得出的是本事。
第一幕 · 造物

铸器炉 · 从需求到电路

三盏灯,任两盏亮则报警

铸器炉的火是冷的,蓝焰静静烧着。老祖丢过一片玉简:「三盏灯,任两盏亮则报警。造出来。」

延迟之魔 延迟之魔

「化简嘛,差不多就行。多几个门又不会怎样——又不会怎样。」

电路综合 · 真值表 → 卡诺图 → 门级电路

填三人(A,B,C)投票真值表,卡诺图圈组化简,投炉铸造。

卡诺图化简

原始项数4
化简项数
门数节省
需求是问题,化简是答案的一半。多一个门,多一份延迟、多一份代价——只是你还没看见代价。
第一幕 · 标准件

信使殿 · 编码与译码

八选一压成三根线,三根线展开八盏灯

信使殿立着两面墙。左墙八个信筒,右墙八盏灯。

诺依曼老祖 诺依曼老祖

「八个信筒只有一个会被投信,你要用三根线告诉别人是哪一个。反过来,给你三根线,你要点亮八盏灯里的一盏。」

延迟之魔 延迟之魔

「要是两个信筒同时来信呢?」

编码器 / 优先编码器 / 译码器级联

点击信筒投信编码;双投触发冲突→优先编码器;译码器用使能端级联扩展。
优先编码器不是修好了冲突,是给冲突立了规矩。使能端不是开关,是模块拼接的接口。
第一幕 · 通用

选路坊 · 一入多出

旋钮指谁,谁通过——一个 MUX 实现任意函数

选路坊中央悬着一个带旋钮的匣子,八条进线、一条出线。

诺依曼老祖 诺依曼老祖

「旋钮指谁,谁通过。」又递来一张真值表:「别转数据了——把这张表喂给它。」

MUX 数据选择 + 函数实现 + Demux 路由

拖地址旋钮选数据;喂真值表实现函数;Demux 分发路由。
你不再需要设计门了——一个选择器,喂一张表,什么函数都能算。这太方便了,方便到你忘了问:它快不快?
第一幕 · 自负之巅

半加台 · 一位之加

加法没有魔法,全是逻辑

半加台上只有两个开关:A 和 B。一盏和灯,一盏进位灯。

诺依曼老祖 诺依曼老祖

「0+0、0+1、1+0、1+1。造出来。」

延迟之魔 延迟之魔

「那再加上低位来的进位呢?」

半加器 / 全加器 / 4 级串接

拨 A/B 开关,接异或求和、与门进位;全加器加 Cin;串接 4 级看 4 位加法。
加法=异或求和+与或求进位,全加器串接即多位加法。你造出了计算的第一块砖——也亲手接上了延迟之魔的锁链:每一级进位,都要等上一级算完。
第一幕 · 崩塌

涟漪深渊 · 进位的诅咒

你算对了。可你算晚了。

你把 32 个全加器一字排开,进位线首尾相接。你输入 111...1 + 000...1。

最低位的进位亮了。然后是下一位。再下一位。蓝光一格一格向高位爬,像一声叹息穿过 32 道门。你等了很久。最高位才亮。

延迟之魔 延迟之魔

「你算对了。可你算晚了。」

RCA 延迟追踪 · 32 位最坏情况

门延迟级数
— / 64
时钟周期 ≈ 20 级
你的加法器是对的,也是废的。真理在硅中奔跑,每跑过一道门都要交一次税——你串了 32 道,于是真理迟到了。功能正确≠时序可用。
第二幕 · 救赎→再崩塌

先行之光 · 超前进位

展开它——别等,算出来

老祖丢来两个新变量:P=A⊕B(进位传播)、G=A·B(进位生成)。

诺依曼老祖 诺依曼老祖

「C_{i+1}=G_i ∨ P_i·C_i。展开它——别等,算出来。」

延迟之魔 延迟之魔

「那 C31 呢?」

CLA 推导 · 4 位先行 → 32 位扇入爆炸

扇入
RCA 32位
64 级
CLA 4位
4 级
CLA 32位
你杀死了涟漪,养出了巨门。延迟没有消失,它只是换了身衣服——从"排队"变成了"门太胖"。物理定律不收账,它只换科目。
第二幕 · 重整

比较之衡 · 三态之门

比大小也有延迟链;总线要排队说话

比较之衡上摆着两个 8 位数。老祖:「谁大?」你从最高位比起——高位定了就不必看低位。蓝光一路短路下去,很快。

延迟之魔 延迟之魔

「比 8 位是快。比 32 位呢?还是得一级级下去吧。」

诺依曼老祖 诺依曼老祖

「这条线,八个人都要说话。同时说,会烧。怎么办?」

比较器级联 + 三态门总线驱动

从 MSB 起比,高位决出即短路低位;多器件共用总线需三态门分时。
只要信号要走链,延迟就在。你治好了加法器的链,比较器还有链。也许该换一种活法:别想着消灭延迟,想着怎么和它共处。
终幕 · 对决

延迟之魔 · 排除法收网

三问拦路,延迟账本待清

ALU 刚一接通,灯全灭了。进位之链从盒子里挣脱,凝成一条横贯屏幕的赤色巨蛇——延迟之魔的真身。

延迟之魔 延迟之魔

「我是延迟之魔。我不住在"慢"里——慢救不了我。我住在你"以为逻辑对就万事大吉"的地方。三问。答错一题,链就长一节。」

诺依曼老祖 诺依曼老祖

「你的刻痕,够用了。」

渊账累计 0 笔 · 三问全对后清零

尾声

模块之门 · 组合筑基

炼气二层 · 组合筑基 · 圆满

魔散尽时,你脚下的电路图亮成一张完整的网。那 32 位 ALU 不再是一堆门——它缩成一个方块:两根输入、一根操作码、一根输出,旁边标着一个数:t_pd。

诺依曼老祖 诺依曼老祖

「你入门了。不是因为你算对了——算对的会忘。是因为你量过了每一级延迟,然后学会了把它们打包成一个带参数的盒子。但——你的 ALU 算完就忘。它记得上一秒算过什么吗?」

知识图谱点亮 · 十五碎片排认知链

点击下方碎片,按因果顺序点亮认知链。

排错处会闪烁红光,提示该知识点依赖的前置知识。
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门生模块,模块生算器,算器生系统。每一层都不必知道下一层怎么造的——它只信那个 t_pd。这就是抽象。
ch03 时序逻辑电路:记忆的诞生 🔒(点亮全部图谱后开启)