采纳中大范围集成电路的逻辑设计.ppt

*1 计算机科学系 敬 附 筋 衡 潍 缚 痘 镐 腔 动 鬃 腿 棱 耗 陡 嚣 澄 冤 杏 酷 戈 持 领 但 姚 夹 超 锋 渺 赞 启 判 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第六章第六章 采用中、大规采用中、大规 模集成电路的逻辑设计模集成电路的逻辑设计 微 慰 早 懈 论 写 洋 浓 膏 殖 相 侧 寸 镰 禹 派 屠 欺 骋 拓 壤 扒 虞 抽 泡 擞 谆 珐 诈 赴 尖 巨 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *2 计算机科学系 采用小规模集成电路 ( SSI ) 的缺点 器件用量多、外部连线多，电路复杂，体积大。 可靠性差。 功耗大。 SSI 设计追求的目标：最小化，即用最少的器件(门触发器) 集成电路由SSI发展到MSI、LSI和VLSI，使单个芯片容 纳的逻辑功能越来越强。 一般来说，在SSI中仅是基本器件(如逻辑门或触发器) 的集成，在MSI中已是逻辑部件(如译码器、寄存器等)的集 成，而在LSI和VLSI中则是一个数字子系统或整个数字系统( 如微处理器)的集成。 撑 卵 减 纵 彰 铺 蔬 贤 兽 欠 谍 潦 锻 塔 贾 壶 置 夹 纷 螺 散 擒 弯 梁 兼 眠 船 奴 铡 攫 羹 久 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *3 计算机科学系 采用中规模集成电路(MSI) 或大规模集成电路 (LSI )将有 效地克服 SSI 存在的缺点 MSI, LSI集成电路规模大，功能强，有效地克服SSI，可靠性 差、功耗大、功能单一等缺点。 采用中、大规模集成电路组成数字系统具有体积小、功耗低 、可靠性高等优点，且易于设计、调试和维护。 摧 眉 郊 花 根 谦 快 淌 鼻 俗 迟 叙 殉 票 纲 赁 啥 浓 汞 闸 虑 掳 徘 坍 祸 徐 缄 恍 演 廉 酮 屹 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *4 计算机科学系 根据集成度的大 小集成电路分为 SSI MSI LSI VLSI 每片器件集成的门数 在100以下 每片器件集成的门数 在100以上 每片器件集成的门数可达 百万个。 VLSI 是一些专门功能的 电路、处理机存储器等 器件。 涅 掳 很 阁 冕 催 缔 既 萌 泳 宪 津 栅 鹤 剃 涣 岂 首 终 肄 所 价 受 颈 剑 示 冈 畜 琴 狗 寇 躲 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *5 计算机科学系 6.1 常用中规模通用集成电路及其应用 6.1.1 二进制并行加法器 6.1.2 译码器和编码器 6.1.3 多路选择器和多路分配器 6.1.4 计数器和寄存器 6.1.5 综合应用举例 篱 椿 租 瞒 哦 瑞 煎 讣 施 亨 贷 怠 标 桌 架 沪 乌 隔 浓 敦 歧 牺 拯 乞 岿 萍 肯 鞘 瑟 沟 同 趋 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *6 计算机科学系 本章知识要点： 熟悉常用中规模通用集成电路的逻辑符号、基本逻辑功能 、外部特性和使用方法； 用常用中规模通用集成电路作为基本部件，恰当地、灵活 地、充分地利用它们完成各种逻辑电路的设计，有效地实现 各种逻辑功能。 终 层 木 呜 赃 绰 翻 厂 脯 帜 昌 屎 伴 股 漾 焉 恶 泵 责 僵 俘 夸 痉 盒 鞍 棕 兜 饮 与 嚏 怖 望 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *7 计算机科学系 通用集成电路 的应用 直接应用：即利用它本身的逻辑功 能满足设计要求 扩展应用：利用器件的逻辑功能来 实现其他逻辑功能要求。 6.1 常用中规模通用集成电路及其应用 嗅 防 充 赌 悟 辅 鳃 娱 腻 类 执 葫 拽 毛 蒂 帮 骨 俞 宾 澜 佰 医 瓣 均 御 沽 咋 摆 粮 剑 功 贡 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *8 计算机科学系 一、定义 二进制并行加法器：是一种能并行产生两个二进制数算 术和的组合逻辑部件。 按其进位方式的不同，可分为串行进位二进制并行加法 器和超前进位二进制并行加法器两种类型。 二、类型及典型产品 6.1.1 二进制并行加法器(T692, T693) 颐 殉 驳 藤 吉 死 钧 盏 逃 复 距 员 阑 弘 颇 产 酷 螺 瞻 俞 港 邦 苦 和 棘 笺 绚 媳 罗 祥 著 冰 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *9 计算机科学系 1串行进位二进制并行加法器 由全加器级联构成，高位的进位输出依赖于低位的进 位输入。典型芯片有四位二进制并行加法器T692。 四位二进制并行加法器T692的结构框图如下图所示。 FA3FA3 FA2FA2 FA1FA1 F F4 4 F F3 3 F F2 2 F F1 1 C C0 0 C C1 1 C C2 2 C C3 3 FCFC 4 4 B B1 1 A A1 1 B B2 2 A A2 2 B B3 3 A A3 3 B B4 4 A A4 4 T692T692的结构框图的结构框图 FA4FA4 特点：串行进位，速度慢 卞 粥 募 挥 室 足 狮 襄 彪 盟 猜 戳 雍 坊 楷 袒 迁 线 套 症 殃 簿 饱 琶 姚 捅 伦 余 融 隙 逮 兑 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *10 计算机科学系 四位二进制并行加法器T693构成思想如下： 2超前进位二进制并行加法器 根据输入信号同时形成各位向高位的进位，然后同时产 生各位的和。通常又称为先行进位二进制并行加法器或者并 行进位二进制并行加法器。 典型芯片有四位二进制并行加法器T693。 由全加器的结构可知，第i位全加器的进位输出函数表达 式为： 锈 吨 画 八 兴 然 茧 伙 晚 揽 空 选 斧 鲍 襄 责 纫 牧 欲 插 奔 浸 字 绢 贱 眉 秋 蹈 爷 境 初 施 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *11 计算机科学系 当 i=1、2、3、4时，可得到4位并行加法器各位的进位输出 函数表达式为： 令式中令式中 （进位传递函数）（进位传递函数） （进位产生函数）（进位产生函数） 则有则有 由于C1C4是Pi、Gi和C0的函数，即 Ci=f(Pi,Gi,C0),而Pi、 Gi又是 Ai、Bi的函数，所以，在提供输入Ai、Bi和C0之后， 可以同时产生C1C4。通常将根据Pi、Gi和C0形成C1C4的 逻辑电路称为先行进位发生器。 喷 赎 机 针 歪 华 革 辟 偷 橡 痕 宏 扛 面 求 僧 筛 露 兆 琶 搬 鹏 匹 堡 磋 买 错 痒 皿 坤 鲁 夫 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *12 计算机科学系 T692为四位并行加法器，每位由一个全加器构成，故有四个 全加器(每个全加由与或逻辑构成，而不是异或逻辑)，因 此T692的输出端有4个“和”输出(F4F1)及一个向高位进位 信号FC4。 各位全加器之间的级联是通过各位的进位信号，由低位到高 位到逐级串行连接。 各位全加器的被加数与加数并行输入至各位，故有8个输入 (A1 A4 和 B1 B4 )和一个低位进位输入C0。 犯 店 争 钨 沾 馈 瘸 赞 陇 相 敛 康 仓 逾 往 道 箱 蘑 跪 端 兢 遣 帖 豪 寄 梆 迫 省 银 搪 宝 引 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *13 计算机科学系 T692、T693芯片的管脚 排列图如右图所示。 三、四位二进制并加法器的外部特性和逻辑符号 1外部特性 图中， A4、A3、A2、A1 - 二进制被加数； B4、B3、 B2、B1 - 二进制加数； F4、 F3、 F2、 F1 - 相加产生的和数； C0 - -来自低位的进位输入； FC4 - 向高位的进位输出。 疡 盏 竞 域 若 擂 辑 亢 涕 虞 顷 硒 辰 曲 乙 迂 疡 仅 铃 赫 辈 沪 溅 氦 伎 竭 瓣 鸡 场 掸 索 拽 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *14 计算机科学系 2逻辑符号 四位二进制并行加法器逻辑符号如下图所示。 邦 烟 咸 瑶 目 乔 你 扦 庇 稍 反 钎 偶 腥 瘸 椰 反 残 轨 吼 寐 夺 孵 婆 扩 隘 凰 与 龟 晕 嗜 靠 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *15 计算机科学系 T692的缺点：进位信号逐级串行传送，导致运算速度较慢 ，因为高位必须等到低位全部运算后，送出进位信号， 才能进行运算。 T693的采用超前进位思想构成的四位并行加法器，成功地 解决了T692的缺点。 踞 惺 投 修 秒 租 簧 账 五 昧 测 贞 牙 铀 泻 转 荫 哪 碘 辑 岳 菇 磋 萍 蒸 戍 弯 舌 亭 绕 矫 汛 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *16 计算机科学系 二进制并行加法器除实现二进制加法运算外，还可实现 代码转换、二进制减法运算、二进制乘法运算、十进制加 法运算等功能。 【例1】 用4位二进制并行加法器设计一个将8421码转换 成余3码的代码转换电路。 四、应用举例 解： 根据余3码的定义可知，余3码是由8421码加3后形 成的代码。所以，用4位二进制并行加法器实现8421码到余 3码的转换，只需从4位二进制并行加法器的输入端A4、A3 、A2和A1输入8421码，而从输入端B4、B3、B2和B1输入 二进制数 0011，进位输入端C0接上“0”，便可从输出端F4、 F3、F2和F1得到与输入8421码对应的余3码。 峦 辜 瑟 蟹 浑 诧 掺 臆 蜕 把 朵 焰 脊 核 娱 乏 诸 光 使 徒 魂 蚁 喀 吐 曰 投 荔 跺 上 峙 蚜 拘 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *17 计算机科学系 实现给定功能的逻辑电路图如下图所示。 恰 叶 拾 滞 虽 鼓 牙 竞 碰 刨 秉 狮 市 脖 宦 馒 谅 悦 沸 随 己 裴 书 咏 点 银 需 蜜 娟 漂 措 防 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *18 计算机科学系 【例2】 用4位二进制并行加法器设计一个4位二进制并行加 法/减法器。 解：根据问题要求，设减法采用补码运算，并令 A = a4a3a2a1 - 为被加数(或被减数)； B = b4b3b2b1 - 为加数(或减数)； S = s4s3s2s1 - 为和数(或差数)； M- 为功能选择变量。当M=0时，执行A+B ；当M=1时，执行A-B。 由运算法则可归纳出电路功能为：由运算法则可归纳出电路功能为： 当当M=0M=0时，执行时，执行 a a 4 4a a3 3a a2 2a a1 1 + b + b 4 4b b3 3b b2 2b b 1 1 + 0 (A+B) + 0 (A+B) 当当M=1M=1时，执行时，执行 a a 4 4a a3 3a a2 2a a1 1 + + 1 (A-B) + + 1 (A-B) 辜 治 笼 尝 胳 昏 聋 刘 如 必 靡 颠 踊 捌 赵 捎 吵 谅 衅 爷 瑞 烃 缅 放 巨 琶 钨 唁 痘 券 轴 策 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *19 计算机科学系 实现给定功能的逻辑电路图如下图所示。 锋 识 浓 车 芋 州 挟 矾 耻 奔 肮 贤 句 酚 箱 幅 桅 墟 产 一 蔷 抿 沙 寓 乘 怖 砷 树 殖 屿 佑 怜 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *20 计算机科学系 【例3】 用一个4位二进制并行加法器和六个与门设计 一个乘法器，实现AB,其中 A = a3a2a1 , B = b2b1 。 解：根据乘数和被乘数的取值范围，可知乘积范围处 在021之间。故该电路应有5个输出，设输出用Z5 Z4 Z3 Z2 Z1表示，两数相乘求积的过程如下： 被乘数被乘数 a a3 3 a a 2 2 a a1 1 ) ) 乘数乘数 b b2 2 b b1 1 a a 3 3b b1 1 a a 2 2b b1 1 a a 1 1b b1 1 +) a +) a 3 3b b2 2 a a 2 2b b2 2 a a 1 1b b2 2 乘积乘积 Z Z 5 5 Z Z4 4 Z Z3 3 Z Z2 2 Z Z1 1 耍 溢 际 抄 舞 题 霄 询 斜 晾 署 件 栗 像 拨 郡 永 汾 桨 宿 诀 企 产 单 惧 走 唱 灭 腆 缴 史 层 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *21 计算机科学系 五. 扩展应用举例 扩展应用：代码转换、二进制减法运算、二进制乘法运算、 十进制加法运算等。 博 铬 唆 镭 永 计 谴 茅 颊 棵 栈 下 残 督 奠 澜 汾 窜 兔 是 秩 侄 春 垒 淋 蔽 氏 搽 简 寻 瞳 璃 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *22 计算机科学系 【例1】：用四位二进制加法器设计一个把 8421 BCD 码 转换成余3代码的转换器。 余余3 3码码=8421=8421码码+3(+3(即即0011)0011)解： 解： A A4 4A A3 3 A A2 2A A1 1 B B4 4B B3 3 B B2 2B B1 1 F F4 4 F F3 3 F F2 2 F F1 1 输出：余输出：余3 3码码 FCFC 4 4 C C0 0 8421BCD8421BCD码码 0 0 0 0 1 1 1 1 “ 0”“ 0” 输入输入 闸 裹 绸 绝 渣 佬 荚 宏 逞 已 西 舍 瓶 俭 奈 孙 尊 哗 笔 抛 韩 氢 秤 描 颧 扯 棍 肌 坑 篱 盼 狼 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *23 计算机科学系 【例2】：四位二进制加法器设计一个把余3代码转换成 8421 BCD 码的转换器。 84218421码码= =余余3 3码码-3(-3(即即1101)1101)解： 解： A A4 4A A3 3 A A2 2A A1 1 B B4 4B B3 3 B B2 2B B1 1 F F4 4 F F3 3 F F2 2 F F1 1 输出：输出： 8421BCD 8421BCD码码 FCFC 4 4 C C0 0 余余3 3码码 1 1 1 1 0 0 1 1 “ 0”“ 0” 输入输入 恢 湃 喊 娃 旨 馆 进 娶 阎 核 浪 铅 羌 绦 伴 彪 吮 佬 唉 乃 既 胡 蔬 仕 掌 整 耕 梆 资 邀 路 刹 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *24 计算机科学系 【例3】：用四位二进制并行加法器设计一个四位二进制 并行加法/减法器(可逆)。 解： 减法采用补码，将“” “+“ 作法： 减数取反+1 补码 再与被减数相加差 用异或门实现减数取反 加/减功能的选择 顾 瞻 弄 半 岔 谍 份 况 晒 期 穴 擎 墩 旁 冈 专 熄 痰 滔 灶 喇 云 癣 世 厨 汲 盛 奖 哟 做 扑 切 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *25 计算机科学系 减数减数 ( (加数加数) ) =1=1 b b1 1 MM B B1 1 M=1(M=1(减法减法), B), B 1 1 = b= b 1 1 M=0(加法), B1= b1 笑 帆 瞻 樊 芥 搞 侗 辕 猿 没 胳 篱 鸵 窖 名 胡 破 情 杏 况 筒 银 熊 般 伙 材 旨 虎 缮 壳 燕 赡 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *26 计算机科学系 F F4 4 F F3 3 F F2 2 F F1 1 FCFC 4 4 C C0 0 A A4 4 A A3 3 A A2 2 A A1 1 B B 4 4 B B 3 3 B B 2 2 B B1 1 S S4 4 S S3 3 S S2 2 S S1 1 1 11 11 11 1 被加数被加数 ( (被减数被减数) ) 加数加数( (减数减数) ) b b4 4 b b3 3 b b2 2 b b1 1 MM 和和( (差差) ) 0, 0, 加加 1, 1, 减减 霉 甸 钱 侥 兄 扭 胀 蜘 跑 皋 泽 赘 粗 蹬 饵 肠 畔 猎 枚 窗 绵 破 透 嘲 禄 映 慢 沦 惑 剩 胞 革 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *27 计算机科学系 【例4】：用四位二进制加法器设计一个用余3码表示 的一位十进制数加法器。 解： 根据余3码的特点： 两个余3码相加时，其结果必须修正，才能正确 表示所表示的十进制数 例如：两个余例如：两个余3 3码码 0100 ( 1 ) + 0101 ( 2 ) 0100 ( 1 ) + 0101 ( 2 ) 十进制数十进制数 (1)(1) (2)(2) 0 1 0 00 1 0 0 0 1 0 10 1 0 1 + + 1 0 0 11 0 0 1(6)(6) 0 0 1 10 0 1 1 0 1 0 00 1 0 0 无进位无进位 ( (自然二进制数自然二进制数 3 ) 3 ) ( (余余3 3码码) )(3)(3) 梦 檬 比 羌 磨 抖 甲 尿 铭 则 丑 钦 梆 痕 签 涤 洛 怨 诬 单 素 饲 逊 烩 倦 纽 甭 乌 御 啦 迭 躺 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *28 计算机科学系 1 1 0 01 1 0 0 0 1 0 10 1 0 1 + + 1 1 0 0 0 00 0 0 0 + + 0 0 1 10 0 1 1 0 0 1 10 0 1 1 有进位有进位 (3)(3) (9)(9) (1)(1) (10)(10) 1 1 结果修正，结论： 相加结果 无进位，结果减 3 (0011)，用补码实现 为加13(1101) 有进位，结果加 3 (0011) 咱 呜 矢 答 序 废 繁 完 浦 宏 农 锚 谆 卷 根 糟 腋 拇 箩 豹 殊 贡 陡 冷 篙 芍 跳 禹 掂 让 咏 审 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *29 计算机科学系 具体实现：用二片四位二进制加法器来实现 第I片实现被加数与加数的相加运算 第II片实现结果修正 滞 生 室 简 虐 达 铱 珍 虞 侵 祭 谤 锯 畴 策 该 猜 糕 商 册 艰 庇 啸 朱 王 梅 苔 欺 箩 屈 烈 象 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *30 计算机科学系 A A4 4A A3 3 A A2 2A A1 1 B B4 4 B B3 3 B B2 2 B B1 1 F F4 4 F F3 3 F F2 2 F F1 1 和数余和数余3 3码码 FCFC 4 4 C C0 0 “ 1”“ 1” A A4 4A A3 3 A A2 2A A1 1 B B4 4 B B3 3 B B2 2 B B1 1 F F4 4 F F3 3 F F2 2 F F1 1 FCFC 4 4 C C0 0 被加数被加数( (余余3)3)加数加数( (余余3)3) 1 1 低位进低位进 位输入位输入 I I IIII II. II. 修正修正 I. I. 相加相加 宙 蜗 捶 橙 泅 涸 继 唇 秃 脖 伏 省 县 郭 舀 龟 织 迁 惶 诵 夕 呻 小 饥 萍 贡 泌 她 抽 艘 隘 蒲 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *31 计算机科学系 【例5】：用四位二进制加法器设计一个用BCD码表示的一 位十进制数加法器。 释 钳 谣 被 钦 楷 津 冯 旱 恐 学 悸 沦 孜 伟 幂 铆 道 蜡 笛 蝴 趋 拐 实 砌 弘 淆 寿 抖 撕 惭 娜 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *32 计算机科学系 6.1.2 数值比较器 用来比较A和B两个正数而确定其大小的逻辑电路称为 数值比较器。常用的有4位数值比较器和8位数值比较器。 典型的4位数值比较器有7485 ，其逻辑符号为如下： A A3 3 B B3 3 A A2 2 B B2 2 A A1 1 B B1 1 A A0 0 B B0 0 ABAB ABAB F F AB=1 ，其余两个输出端为0； （2）当数A小于数B时，FAB）和 （ABAB ABAB F F ABAB ABAB F F ABAB F F A=BA=B 74857485 a4 b4 a3 b3 a2 b2 a1 b1 0 0 1 a8 b8 a7 b7 a6 b6 a5 b5 泞 财 彭 瞳 霞 同 攘 循 宿 扩 黍 弓 棺 贱 旗 恍 箭 迭 甘 起 姐 够 煽 疏 掀 杜 孵 泥 硒 耳 年 讫 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *34 计算机科学系 6.1.2 译码器和编码器 代码代码信号信号 译码译码 编码编码 译码器和编码器是常用的组合逻辑中规模集成电路。 译码：将具有特定含义的输入代码译成(转换成)相应的输 出信号，以此输出信号来识别输入的代码. 编码：对输入信号按一定的规律编排，赋予以一定的代 码输出，即将信号代码。 叉 沙 婉 精 绸 俭 屡 歹 株 振 遭 已 卵 烦 麦 络 帘 椅 账 落 怒 眺 穗 甸 措 己 沁 穆 蝇 偷 吮 蚀 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *35 计算机科学系 下图示出一个三位二进制代码(ABC=001)的译码，以 及一个信号 Y1 的编码。 ; 第七章 中规模通用集成电路及其应用 选用变量B和C作为选择控制 变量 棵 而 诚 龙 尸 医 觉 他 碌 浴 欺 岸 欲 恼 幌 促 僳 袍 虎 菏 博 跺 砒 鳃 萤 擅 转 验 诀 爆 烛 时 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *139 计算机科学系 相应逻辑电路图如图 (d)所示，只附加一个与非 门。显然，实现给定函数 用B、C作为选择控制变量 更简单。 由上述可见，用n个选择控制变量的MUX实现m个变量(m -n2)的函数时，MUX的数据输入函数Di一般是2个或2个以 上变量的函数。函数Di的复杂程度与选择控制变量的确定 相关，只有通过对各种方案的比较，才能从中得到最简单 而且经济的方案。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 案 儒 晶 耸 仗 瘴 潞 它 街 什 益 蓉 祥 郝 桩 鲁 例 碳 减 秋 莱 烈 睹 缉 恭 锨 赶 蓟 散 肇 欣 码 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *140 计算机科学系 解 假定选取函数变量A、B作为MUX的选择控制变量A1 、A0，可作出F1、F2的卡诺图如图所示。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 例3 用一片T580双4路选择器实现4变量多输出函数。 函 数表达式为 F1(A,B,C,D)=m(0,1,5,7,10,13,15) F2(A,B,C,D)=m(8,10,12,13,15) 版 餐 破 仕 纂 线 缉 寥 卤 钓 睛 左 噬 式 政 抱 蛙 娜 伙 棚 揽 撩 剔 钟 怯 弟 冈 历 萎 协 土 凝 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *141 计算机科学系 图中，Di对应的子卡诺图即为卡诺图的各列。若令 T580的1W=F1，2W=F2，则化简后可得 ; ; ; 实现函数F1和F2的电路连接图如下图所示。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 秀 蔗 啤 蹿 杉 氓 熔 浮 卢 糖 移 冶 钢 石 逼 厂 兴 掐 碳 肿 姥 昨 裁 辑 造 僳 嫂 雌 诣 隆 禁 歉 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *142 计算机科学系 二、多路分配器 多路分配器(Demultiplexer)又称数据分配器，常用 DEMUX表示。 多路分配器的结构与多路选择器正好相反，它是一种单 输入、多输出组合逻辑部件，由选择控制变量决定输入从 哪一路输出。如图所示为4路分配器的逻辑符号。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 图中，D为数据输入端， A1 、A0为选择控制输入端 ，f0 f3为数据输出端。 啡 贡 驳 话 淡 卓 砾 达 褂 苟 涛 龄 桨 蝶 宣 顾 斟 誊 弹 炽 难 滦 抽 遵 绍 坞 吐 配 孜 阳 部 讲 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *143 计算机科学系 四路分配器的功能如下表所示。 四路分配器功能表 D 0 0 0 0 D 0 0 0 0 D 0 0 0 0 D 0 0 0 1 1 0 1 1 f0 f1 f2 f3 A1 A0 第七章 中规模通用集成电路及其应用 由功能表可知，4路分配器的输出表达式为 式中，mi(i=03)是选择控制变量的4个最小项。 ； ； 釉 泪 肝 酞 乱 檀 傍 烧 贩 疾 甘 套 浮 邵 疾 沙 痘 仍 窘 睡 辙 酱 煽 抬 踊 田 桩 质 杨 么 穴 匣 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *144 计算机科学系 以上对几种最常用的MSI组合逻辑电路进行了介绍，在逻辑 设计时可以灵活使用这些电路实现各种逻辑功能。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 多路分配器常与多路选择器联用，以实现多通道数据分时传 送。例如，利用一根数据传输线分时传送8路数据的示意图如 下图所示。图中，在公共选择控制变量ABC的控制下，分时实 现Difi的传送(i=07)。 友 卞 绩 敷 瓢 赫 囱 阵 甲 停 蚂 涪 急 逃 型 拣 姚 辑 稽 戊 筹 伙 忧 骄 淤 怨 界 些 迹 喇 据 波 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *145 计算机科学系 解 设比较的两个3位二进制数分别为ABC和XYZ，将译码 器和多路选择器按图所示进行连接，即可实现ABC和XYZ 的等值比较。 例4 用8路选择器和3-8线译码器构造一个3位二进制数等 值比较器。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 图中，若 ABC=XYZ，则多路选 择器的输出F=0，否则 F=1。 用类似方法，采用合 适的译码器和多路选择 器可构成多位二进制数 比较器。 亚 甩 缝 抢 养 哲 拿 傣 哑 实 铅 默 旱 泄 期 滤 铣 姿 毯 川 爸 疗 邪 迄 韵 机 纂 藐 灾 悬 卓 蔚 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *146 计算机科学系 7.2.1 计数器 一、概述 1什么是计数器？ 广义地说，计数器是一种能在输入信号作用下依次通过预 定状态的时序逻辑电路。 就常用的集成电路计数产品而言，可以对其定义如下： 计数器：是一种对输入脉冲进行计数的时序逻辑电路，被计 数的脉冲信号称作“计数脉冲”。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 7.2 常用中规模时序逻辑电路 数字系统中最典型的时序逻辑电路是计数器和寄存器。 由于计数器和寄存器的应用十分广泛，所以，被制作成中 规模集成电路的定型产品供用户选用。要求在掌握外部特性 后，根据需要对器件进行合理选择、灵活使用。 梦 芽 枯 分 恢 浮 色 绩 黍 鲸 枷 满 檀 漂 庐 尺 械 岳 几 乒 绘 嗜 认 峨 轰 棘 纵 札 磅 缺 播 钞 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *147 计算机科学系 2计数器的种类 计数器的种类很多，通常有不同的分类方法。 (1) 按其工作方式可分为同步计数器和异步计数器； (2) 按其进位制可分为二进制计数器、十进制计数器和任 意进制计数器； (3) 按其功能又可分为加法计数器、减法计数器和加/减可逆 计数器等。 3功能 一般具有计数、保存、清除、预置等功能。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 计数器中的“数”是用触发器的状态组合来表示的。计数器在 运行时，所经历的状态是周期性的，总是在有限个状态中循环 ，通常将一次循环所包含的状态总数称为计数器的“模”。 谜 非 符 吻 缉 献 绚 降 标 予 悬 虱 鉴 忌 膳 犯 梢 咋 荤 墙 嘱 絮 涌 洱 魄 导 独 佳 应 彻 衫 削 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *148 计算机科学系 1T4193的管脚排列图及逻辑符号 二、典型芯片-四位二进制同步可逆计数器T4193 T4193管脚排列图及逻辑符号分别如图(a)、(b)所示。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 砸 战 椿 越 纷 婿 堕 过 侠 业 乎 尘 溉 范 衫 售 掉 琢 筐 踊 妙 醋 徘 精 蝎 镁 抡 盛 鳞 脆 瘁 蜀 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *149 计算机科学系 2引脚功能 T4193各输入端和输出端的功能如下表所示。 T4193引线功能 计数值 进位输出(负脉冲) 借位输出(负脉冲) QD、QC、QB、QA 输出端 清除 预置控制 预置初始值 累加计数脉冲(正脉冲) 累减计数脉冲(正脉冲) Cr D、C、B、A CPU CPD 输入端 功 能 引 线 名 称 第七章 中规模通用集成电路及其应用 员 虾 象 区 仑 蜕 涎 响 钵 烙 蚜 吨 更 蚤 痛 峨 陡 事 醛 践 耪 因 卸 棍 呀 趣 滑 白 暗 鳖 猪 犯 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *150 计算机科学系 3功能表 该计数器能对输入脉冲进行累加或累减计数，其电路功 能如下表所示。 T4193的功能表 0 0 0 0 x1 x2 x3 x4 累 加 计 数 累 减 计 数 1 d d d d d d d 0 0 x1 x2 x3 x4 d d 0 1 d d d d 1 0 1 d d d d 1 输 出 QD QC QB QA 输 入 Cr D C B A CPU CPD 第七章 中规模通用集成电路及其应用 表中，Cr为高电平，计数器清“0”； 为低电平，计 数器预置A、B、C、D输入值；计数脉冲由CPU 端输入时，累 加计数；计数脉冲由CPD端输入时，累减计数。 砾 河 胰 俘 吞 凹 没 威 汀 帐 黔 膜 龚 角 毕 奏 沮 麦 肘 踩 弟 豁 淬 虫 娄 锄 渔 驶 蓝 浑 抽 崭 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *151 计算机科学系 1构成模小于16的计数器 通过利用计数器的清除、预置等功能，可以很方便地实 现模小于16的计数器。 例如 用T4193构成模10加法计数器。 解 假设计数器的初始状态为Q3Q2Q1Q0 = 0000，其状态 变化序列如下： 0000 0001 0010 0011 0100 1001 1000 0111 0110 0101 第七章 中规模通用集成电路及其应用 三、T4193应用举例 T4193的模为16。在实际应用中，可根据需要用T4193构 成模小于16或大于16的计数器的。 眉 则 羊 饱 招 见 雁 杂 字 正 坤 眼 职 洛 篮 铰 摔 筋 隙 于 埃 澳 玲 龄 肩 邢 邀 咽 陆 赃 澜 舌 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *152 计算机科学系 根据T4193的功能表 ，可用右图所示逻辑 电路实现模10加法器 的功能。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 图中， 和CPD接逻辑1，CPU接计数脉冲CP，T4193工 作在累加计数状态。 当计数器输出由1001变为1010时，图中与门输出为1 ，该信号接至清除端Cr，使计数器状态立即变为0000，当 下一个计数脉冲到达时，再由00000001，继续进 行加1 计数。 尔 豁 开 玩 丝 制 彼 泛 玩 肋 吗 腻 隔 疚 级 搞 靠 柑 累 酱 拽 闲 浊 愧 窜 者 育 箍 琳 窍 凸 捞 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *153 计算机科学系 例如 用两片T4193构成模(147)10的加法计数器。 解 设计数器状态变化序列为(0)10(146)10，当计数器状态 由(146)10变为(147)10（即(10010011)2 ）时，令其回到(0)10状 态。 根据T4193的功能，可构造出模(147)10 加法计数器的逻辑 电路图。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 2构成模大于16的计数器 利用计数器的进位输出或借位输出脉冲作为计数脉冲，可将 多个4位计数器进行级联，并恰当地使用预置、清除等功能， 构成模大于16的任意进制计数器。 锤 颁 瑰 耀 赖 逝 并 完 昧 酷 挥 哑 臭 瘪 别 骆 士 跨 棱 蚊 项 亨 硷 荷 秧 芭 渝 蹲 邻 攘 獭 吃 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *154 计算机科学系 第七章 中规模通用集成电路及其应用 模(147)10 加法计数器的逻辑电路如下图所示。 图中，片和片的CPD端 均接1，Cr端为清除控制端。 计数脉冲由片的CPU端输入，片的进位输出脉冲 经反相 后作为片的计数脉冲。 工作时先将计数器清零，然后在计数脉冲作用下开始加1 计数，当计数器状态Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0=10010011时，产生一个高 电平，将计数器清零，实现模147加法计数。 枉 湾 三 娟 脾 酝 化 彻 荣 按 穴 吟 鹅 检 踩 书 豌 掌 从 叙 路 旭 锈 己 琶 酮 最 踢 岔 祈 收 摊 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *155 计算机科学系 寄存器：数字系统中用来存放数据或运算结果的一种常 用逻辑部件。 功能：中规模集成电路寄存器除了具有接收数据、保存 数据和传送数据等基本功能外，通常还具有左、右移位， 串、并输入，串、并输出以及预置、清零等多种功能，属 于多功能寄存器。 中规模集成电路寄存器的种类很多，例如，T1194型是一 种常用的4位双向移位寄存器。 7.2.2 寄存器 一、典型芯片 第七章 中规模通用集成电路及其应用 疆 椭 贯 定 媳 呜 骸 程 氓 汇 讨 象 赘 交 铸 孵 胚 泥 宙 别 篙 混 船 捆 太 稼 箕 灵 攫 屈 津 错 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *156 计算机科学系 1T1194的管脚排列图和逻辑符号 T1194的管脚排列图和逻辑符号如下图所示。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 最 操 萌 描 吧 摩 狐 悟 液 岂 手 纫 告 棘 锭 美 盼 蟹 察 萍 日 瑞 门 呐 充 揣 几 等 褂 跨 疵 蛆 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *157 计算机科学系 2引脚功能 输入、输出引线功能如下表所示。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 T1194引线功能 寄存器的状态 Q0，Q1，Q2，Q3 输出端 清除 并行数据输入 右移串行数据输入 左移串行数据输入 工作方式选择控制 工作脉冲 Cr D0，D1，D2，D3 DR DL MA，MB CP 输入端 功 能 引 线 名 称 瞻 抨 兑 啸 毯 公 珠 鳖 锅 彼 秩 被 脚 紫 另 犯 诌 岳 忆 刚 鸳 兢 埃 峦 脑 牟 疆 孜 蹈 灵 呕 若 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 第 6 章 采 用 中 、 大 规 模 集 成 电 路 的 逻 辑 设 计 *158 计算机科学系 3功能表 T1194的功能如下表所示。 第七章 中规模通用集成电路及其应用 0 0 0 0 保 持 x0 x1 x2 x3 1 Q0nQ1nQ2n 0 Q0nQ1nQ2n Q1nQ2n Q3n1 Q1n Q2n Q3n 0 保 持 0 d d d d d d d d d 1 0 d d d d d d d d 1 1 1 d x0 x1 x2 x3 d 1 0 1 1 d d d d d 1 0 1 0 d d d d d 1 1 0 d d d d d 1 1 1 0 d d d d d 0 1 d 0 0 d d d d d d 输 出 Q0 Q1 Q2 Q3 输 入 CP MB MA DR D0 D1 D2 D3 DL 从功能表可知，双向移位寄存器在MBMA和 的控制下 可完成