陳凱

數(shù)字電路是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程。雖然在基礎(chǔ)教育階段，一般不要求學(xué)生能獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)從數(shù)字電路的邏輯分析到數(shù)字電路架設(shè)和調(diào)試的整個(gè)過(guò)程，但在相當(dāng)多地區(qū)的物理課程和勞動(dòng)技術(shù)課程中，會(huì)涉及數(shù)字電路相關(guān)知識(shí)，只是側(cè)重點(diǎn)有所不同。物理課程強(qiáng)調(diào)的是門(mén)電路輸入條件和輸出結(jié)果之間的邏輯關(guān)系，勞動(dòng)技術(shù)課程強(qiáng)調(diào)的是電子裝置制作的整個(gè)過(guò)程中材料的選取、工具的選用以及集成電路元件的組合應(yīng)用。相對(duì)而言，許多地區(qū)信息技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容中完全不涉及數(shù)字電路，這多少是讓人感覺(jué)奇怪的事情。畢竟，數(shù)字邏輯電路是當(dāng)前任何數(shù)字計(jì)算機(jī)的物質(zhì)基礎(chǔ)。筆者試著在信息技術(shù)課程中補(bǔ)充了一些關(guān)于數(shù)字電路，尤其是邏輯門(mén)方面的知識(shí)，并圍繞信息技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了一些簡(jiǎn)單的數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)。本文主要對(duì)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的架設(shè)做一些簡(jiǎn)單的介紹，希望能激發(fā)出更多的討論和教學(xué)探索。

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇

數(shù)字電路的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可分為教師的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。而動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，又可分為使用軟件模擬器虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)的數(shù)字電路搭建實(shí)驗(yàn)，圍繞信息技術(shù)教學(xué)，可安排實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè)地方。

1. 編碼與解碼

集成電路中，有許多種芯片可用于演示編碼或解碼的過(guò)程。比如，有用于各種進(jìn)制間轉(zhuǎn)換的芯片、有用于控制數(shù)碼管顯示的芯片、有用于將時(shí)間長(zhǎng)度編碼成數(shù)據(jù)的芯片等。最容易架設(shè)和演示的，大概要算是數(shù)據(jù)選擇器芯片，如74LS153，或是數(shù)控模擬開(kāi)關(guān)芯片，如CD4052。利用這些芯片，教師可以通過(guò)輸入不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)控制多個(gè)電子元件的目標(biāo)。比如，通過(guò)二進(jìn)制數(shù)據(jù)控制LED的亮和滅，一位二進(jìn)制數(shù)可選中兩個(gè)顯示終端中的某一個(gè)，兩位二進(jìn)制數(shù)則可選中四個(gè)顯示終端中的某一個(gè)，依此類(lèi)推，n位二進(jìn)制數(shù)可選中2的n次方個(gè)顯示終端中的某一個(gè)，這樣就可以直觀地將二進(jìn)制編碼的作用顯現(xiàn)出來(lái)。

2. 二進(jìn)制運(yùn)算

利用簡(jiǎn)單的數(shù)字電路，就可以演示或?qū)嵺`用二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行數(shù)字與邏輯運(yùn)算的過(guò)程。最簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算，就是只涉及一個(gè)邏輯門(mén)，如非門(mén)、與門(mén)、或門(mén)、異或門(mén)等邏輯門(mén)的運(yùn)算；而最簡(jiǎn)單的數(shù)字運(yùn)算，是利用一個(gè)與門(mén)和一個(gè)異或門(mén)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)一位二進(jìn)制數(shù)的加法。學(xué)生通過(guò)實(shí)際動(dòng)手操作，能真切地領(lǐng)會(huì)到，何以說(shuō)在計(jì)算機(jī)中，數(shù)字運(yùn)算本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都是邏輯運(yùn)算。

3. 存儲(chǔ)程序思想

講到存儲(chǔ)程序思想時(shí)，可以將完全用門(mén)電路構(gòu)成的計(jì)算機(jī)裝置與使用了單片機(jī)的計(jì)算機(jī)裝置兩者進(jìn)行對(duì)比，用來(lái)展現(xiàn)可編程的通用計(jì)算機(jī)與不可編程的專用計(jì)算機(jī)的區(qū)別。比如，同樣是用四個(gè)輸入端和四個(gè)輸出端，如果配合異或門(mén)，就可搭建出一個(gè)簡(jiǎn)易的加密裝置。然而，加密過(guò)程也被固定下來(lái)無(wú)法變化，若配合單片機(jī)，就可以通過(guò)編寫(xiě)程序改變加密過(guò)程。單片機(jī)可選擇51系列單片機(jī)，也可使用Arduino。

除以上提到的之外，信息技術(shù)教學(xué)內(nèi)容中還有許多概念可借助數(shù)字電路得以直觀地顯現(xiàn)出來(lái)，例如，在講到信息傳輸時(shí)，可演示不同終端電平信號(hào)的發(fā)送和接收；在講到信息數(shù)字化時(shí)，可演示采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換；在講到電子計(jì)算機(jī)的技術(shù)發(fā)展相關(guān)內(nèi)容時(shí)，可以用來(lái)展現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件由晶體管到集成電路，再到大規(guī)模集成電路的飛躍，等等。

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室的架設(shè)

那么，應(yīng)該如何架設(shè)一個(gè)數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室？一方面，希望籌備能夠用于信息技術(shù)教學(xué)的演示或?qū)嶒?yàn)；另一方面，因?yàn)樯婕暗恼n時(shí)并不多，恐怕沒(méi)有必要為此專門(mén)準(zhǔn)備一個(gè)專用的實(shí)驗(yàn)室。如果預(yù)算有限，完全可以利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)房，架設(shè)起簡(jiǎn)易的數(shù)字電路的演示與動(dòng)手實(shí)驗(yàn)設(shè)備。具體要求有：實(shí)驗(yàn)設(shè)備和器材使用、檢測(cè)和調(diào)試方便，價(jià)格便宜、占空間小、可反復(fù)使用、收放容易。

經(jīng)過(guò)綜合考慮，最終確定每一組學(xué)生使用器材清單如下：

實(shí)驗(yàn)用面包板一塊及連接線若干，供反復(fù)插線及臨時(shí)固定各種電子元件。

面包板電源一個(gè)，為面包版供電。

USB轉(zhuǎn)電源連接線一條，可以從計(jì)算機(jī)的USB口引電源到面包板電源，這樣就不用買(mǎi)電池了。

74LS04芯片一塊，內(nèi)含6個(gè)非門(mén)。

74LS86芯片一塊，內(nèi)含4個(gè)異或門(mén)。

74LS10芯片兩塊，內(nèi)含3個(gè)與非門(mén)。

微動(dòng)開(kāi)關(guān)若干，用來(lái)手動(dòng)輸入電平信號(hào)。

LED若干，用來(lái)輸出邏輯門(mén)運(yùn)算后的結(jié)果。

電阻若干，用來(lái)限定LED和微動(dòng)開(kāi)關(guān)的電流，延長(zhǎng)電子元件使用壽命。

邏輯門(mén)芯片的使用非常簡(jiǎn)單，一般左上角引腳是電源輸入，右下角引腳是接地，其他引腳一般不是信號(hào)輸入，就是信號(hào)輸出，參考具體的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)即可。

這些器材在網(wǎng)絡(luò)上都可以輕松購(gòu)買(mǎi)到，價(jià)格非常低，通常只有十幾元、幾元乃至幾角錢(qián)。因?yàn)楹苋菀自谝粋€(gè)與非門(mén)后串接一個(gè)非門(mén)實(shí)現(xiàn)與門(mén)，所以清單里就沒(méi)有列與門(mén)。由于一塊集成電路芯片里包含有多個(gè)邏輯門(mén)，所以雖然芯片數(shù)量不多，但可實(shí)施的實(shí)驗(yàn)種類(lèi)卻很豐富。

數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)的實(shí)施問(wèn)題

筆者在課堂上，借助簡(jiǎn)單的數(shù)字電路，對(duì)二進(jìn)制編碼與運(yùn)算作了直觀的演示，效果比較好。但是，相對(duì)教師演示實(shí)驗(yàn)而言，更難處理的，是學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)主要有兩點(diǎn)，其一，實(shí)際操作比理論學(xué)習(xí)要復(fù)雜得多，比如，對(duì)陌生實(shí)驗(yàn)器材的使用需要認(rèn)識(shí)和熟悉的過(guò)程。對(duì)一張電路圖，要能識(shí)別其中符號(hào)并領(lǐng)會(huì)其設(shè)計(jì)意圖，對(duì)于未如預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要判別究竟是電路圖的問(wèn)題，還是器材和線路的問(wèn)題，等等。其二，將邏輯電路轉(zhuǎn)變?yōu)檎鎸?shí)的數(shù)字電路，還需要增加用于輸入和輸出的電子元件，這些額外的工作，可能會(huì)使得原定教學(xué)目標(biāo)有所偏移。

對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，解決方法是，在使用真實(shí)器材動(dòng)手實(shí)驗(yàn)之前，先借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，比如Logisim，就是一款開(kāi)源的數(shù)字電路模擬器軟件。不僅可以方便地畫(huà)出數(shù)字電路圖，還可以模擬運(yùn)行并觀察運(yùn)行結(jié)果。

至于第二個(gè)問(wèn)題，解決方法是，由教師將數(shù)字電路的輸入和輸出部分搭建好，比如，下圖所示的，是用兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制邏輯門(mén)的兩個(gè)輸入，用一個(gè)LED來(lái)顯示邏輯門(mén)的輸出。紅色線條表示電源輸入，黑色線條表示接地，而黃色線條表示信號(hào)線。

（圖3：輸入端，微動(dòng)開(kāi)關(guān)按鈕按下代表數(shù)字信號(hào)1，不按代表數(shù)字信號(hào)0。圖4：輸出端，LED亮起代表數(shù)字信號(hào)1，不亮代表數(shù)字信號(hào)0。）

有了輸入和輸出這兩部分，留給學(xué)生的，是集中精力完成中間的邏輯門(mén)的搭建。學(xué)生只要將微動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入的信號(hào)線（即左圖中標(biāo)為黃色的線）連接到邏輯門(mén)芯片的信號(hào)輸入引腳，然后將邏輯門(mén)芯片的信號(hào)輸出引腳連接線路至LED的信號(hào)線（即右圖中標(biāo)為黃色的線），就可以觀察單個(gè)邏輯門(mén)，或多個(gè)邏輯門(mén)組合后，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)相互的關(guān)系。

盡管如此，一個(gè)比較簡(jiǎn)單的驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，比如搭建一個(gè)兩輸入一位二進(jìn)制數(shù)的加法器，即半加器，至少也需要整整一個(gè)課時(shí)的時(shí)間。實(shí)際上，圍繞簡(jiǎn)單的邏輯門(mén)，有著眾多值得挖掘的素材，供學(xué)生在拓展課或研究性學(xué)習(xí)中自主探索。

（作者單位：上海位育中學(xué)）