經典數位電路：4 位二進制密碼鎖（初階版）

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前文討論如何建構搶答電路，藉此實踐邏輯元件的使用技巧。今回與大家分享密碼鎖電路，這是極為經典的數位電路應用實例，讓我們先從最基本的設計開始。要求如下：

設計一個 4 位二進制密碼鎖。如輸入的數值〈U₃, U₂, U₁, U₀〉與預設的一組密碼〈P₃, P₂, P₁, P₀〉相符（每個位元對〈U_i, P_i〉的值需相同），LED 亮著。如不相符，LED 則不亮著。

為進一步簡化電路，初階版不設「提交」鍵，故此在電源開啟後，任何時間均在核對兩組數字。

以下為參考電路（可按此下載）：

圖一：4 位二進制密碼鎖（初階版）參考電路

電路設計較為簡單，當中使用兩個 4 位撥動開關設定預設密碼和輸入密碼。每個 XNOR 閘比較兩個二進制數字的相同位元，如兩個數值相同，輸出為「H」。因為密碼是 4 位數，所以 4 個 XNOR 閘輸出需同為「H」，才表示輸入密碼正確，令 LED 亮著。使用一個 4 輸入的 AND 閘，即能控制 LED 亮著或熄滅。

將電路圖化為實體電路後如下：

圖二：4 位二進制密碼鎖（初階版）參考實體電路

圖三：兩組密碼不符，LED 不會亮著。

圖四：兩組密碼相符，LED 亮著。

如各位有興趣，可進一步觀看示範影片：

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初階版密碼鎖電路的設計簡單，亦不具實用性，漏洞頗多。4 位二進制共有 2⁴ = 16 個組合，因不設輸入次數上限，只要最多嘗試輸入 16 次，便能破解密碼。現實生活上，密碼鎖通常具防止暴力攻擊（brute-force attack）的特點。讓我們重新思考一個更合常理的密碼鎖設計要求，如下所述：

設計一個 4 位二進制密碼鎖。預設一組密碼〈P₃, P₂, P₁, P₀〉，使用者輸入另一組數值〈U₃, U₂, U₁, U₀〉後，按「提交」鍵核對。如兩組數值相符（每個位元對〈U_i, P_i〉的值需相同），綠色 LED 穩定亮著；如不相符，則紅色 LED 亮起後熄滅。系統接受最多連續三次錯誤輸入，之後需按「重置」鍵，以重新接受輸入。（如輸入密碼正確，亦需按「重置」鍵進行下一次核對。）

這個進階版密碼鎖電路，更為貼近實際需要。輸入密碼錯誤次數超出上限，將鎖著系統，需通知系統管理人員解鎖才可再次輸入，增加安全性。功能增加令電路設計難免稍加複雜，系統需正確執行外，更要考慮穩定性。雖然我們可改用編程設計複雜的電路，但為本著熟習應用邏輯元件的初衷，參考電路將主要以數位 IC 構成，且待下回分解。