[工学]2 逻辑代数与硬件描述语言基础.pptVIP

数字电子技术 计算机与信息工程学院 李 颖 TEL:邮箱： 第2章 逻辑代数与硬件描述语言 基础 学习目标：本章首先介绍分析和设计数字电路的数学工 具-逻辑代数,从逻辑变量、基本定律和定理、逻辑函数 及其化简方法逐步加以讨论，然后介绍数电的仿真和设 计中的一种硬件描述语言-Verilog HDL的基础知识。 重点难点： 1、掌握逻辑代数的的基本定律和定理及逻辑表达式的变 换； 2、熟练掌握代数(公式)化简法和卡诺图化简法； 3 、掌握Verilog HDL的基本语法规则和基本程序结构。 第2章 逻辑代数与硬件描 述语言基础 2.1 2.1 逻辑代数逻辑代数 2.2 2.2 卡诺图化简法卡诺图化简法 2.3 2.3 VerilogVerilog HDL HDL基础基础 退出退出 2.1 逻辑代数 2.1.1 2.1.1 基本定律和恒等式基本定律和恒等式 2.1.2 2.1.2 基本规则基本规则 退出退出 2.1.3 2.1.3 代数化简法代数化简法 2.1.1 逻辑代数的基本定律和恒等式 （1）常量之间的关系 （2）基本公式 分别令A=0及 A=1代入这些 公式，即可证 明它们的正确 性。 （3）基本定理 利用真值表很容易证 明这些公式的正确性 。如证明AB=BA： (A+B)(A+C)=AA+AB+AC+BC 分配率 A(B+C)=AB+AC =A+AB+AC+BC等幂率AA=A =A(1+B+C)+BC 分配率 A(B+C)=AB+AC =A+BC 0-1率A+1=1 证明分配率：A+BC=(A+B)(A+C) 证明： （4）常用公式 分配率 A+BC=(A+B)(A+C) 互补率A+A=1 0-1率A1=1 互补率A+A=1 分配率 A(B+C)=AB+AC 0-1率A+1=1 注意：本节所列出的基本公式反映的是逻辑关系而不是数量之注意：本节所列出的基本公式反映的是逻辑关系而不是数量之 间的关系，在运算中不能简单套用初等代数的运算规则。间的关系，在运算中不能简单套用初等代数的运算规则。 2.1.2 逻辑代数的基本规则 （1）代入规则：任何一个含有变量A的等式，如果将所有出 现A的位置都用同一个逻辑函数代替，则等式仍然成立。这个规 则称为代入规则。 例如，已知等式 ，用函数Y=AC代替等式中 的A，根据代入规则，等式仍然成立，即有： （2）反演规则：对于任何一个逻辑表达式Y，如果将表达式 中的所有“”换成“”，“”换成“”，“0”换成“1”，“1”换成“0”， 原变量换成反变量，反变量换成原变量原变量换成反变量，反变量换成原变量，那么所得到的表达式就 是函数Y的反函数Y（或称补函数）。这个规则称为反演规则。 例如： 注意：运用反演规则应注意以下两个原则注意：运用反演规则应注意以下两个原则 （1 1）保持原来的运算优先级，即先进行）保持原来的运算优先级，即先进行与与运算，后进行运算，后进行或或运算运算 ，并注意优先考虑括号内的运算；，并注意优先考虑括号内的运算； （2 2）对于反变量以外的）对于反变量以外的非非号应保留不变。号应保留不变。 （3）对偶规则：对于任何一个逻辑表达式Y，如果将表达式中 的所有“”换成“”，“”换成“”，“0”换成“1”，“1”换成“0”，而 变量保持不变变量保持不变，则可得到的一个新的函数表达式Y，Y称为 函Y的对偶函数。这个规则称为对偶规则。例如： 对偶规则的意义在于：如果两个函数相等，则它们的对偶函 数也相等。利用对偶规则,可以使要证明及要记忆的公式数目减少 一半。例如： 注意注意：在运用反演规则和对偶规则时，必须按照逻辑运算的 优先顺序进行：先算括号，接着与运算，然后或运算，最后非运 算，否则容易出错。 2.1.3 逻辑函数的代数化简法 1 1、逻辑函数的最简与、逻辑函数的最简与- -或表达式或表达式 一个逻辑函数的表达式可以有与或表达式、或与表达式 、与非-与非表达式、或非-或非表达式、与或非表达式5种表 示形式。 一种形式的函数表达式相应于一种逻辑电路。尽管一个 逻辑函数表达式的各种表示形式不同，但逻辑功能是相同的 。 逻辑函数化简的意义：逻辑表达式越简单，实现它 的电路越简单，电路工作越稳定可靠。 1、最简与或表达式 乘积项最少、并且每个乘积项中的变量也最少的表达 式称为最简与或表达式。 最简与或表达式 2、最简与非-与非表达式 非号最少、并且每个非号下面乘积项中的变量也最少的与非 -与非表达式。 在最简与或表达式的基础上两次取反 用摩根定律去 掉下面的非号 3、最简或与表达式 括号最少、并且每个括号内相加的变量也最少的或与表达式。 求出反函数的 最简与或表达式利用反演规则写出函 数的最简或与表达式 4、最简或非-或非表达式 非号最少、并且每个非号下面相加的变量也最少的或非-或 非表达式。 求最简或非-或非表达式 两次取反 、最简与或非表达式 非号下面相加的乘积项最少、并且每个乘积项中相乘的变量 也最少的与或非表达式。 求最简或非-或非表达式 用摩根定律去 掉下面的非号 用摩根定律 去掉大非号下 面的非号 1、并项法 2 2、逻辑函数的化简方法、逻辑函数的化简方法 逻辑函数的公式化简法就是运用逻辑代数的基本公式、定 理和规则来化简逻辑函数。 利用公式1，将两项合并为一项，并消去一个变量。 若两个乘积项中分别 包含同一个因子的原变量 和反变量，而其他因子都 相同时，则这两项可以合 并成一项，并消去互为反 变量的因子。 运用摩根定律 运用分配律 运用分配律 2、吸收法 如果乘积项 是另外一个乘积 项的因子，则这 另外一个乘积项 是多余的。 运用摩根定律 （）利用公式，消去多余的项。 （）利用公式+，消去多余的变量 。 如果一个乘积项 的反是另一个乘积 项的因子，则这个 因子是多余的。 、配项法 （）利用公式（），为某一项配上其所缺的变 量，以便用其它方法进行化简。 （）利用公式，为某项配上其所能合并的项。 、消去冗余项法 利用冗余律， 将冗余项消去。 例：化简函数 解：先求出Y的对偶函数Y，并对其进行化简 。 求Y的对偶函数，便得的最简或与表达式 。 练习题： （1）化简逻辑函数 （2）化简逻辑函数 （3）化简逻辑函数 、由逻辑函数画出逻辑图（补充）、由逻辑函数画出逻辑图（补充） 一个逻辑函数的表达式可以有与或表达式、或与表达式 、与非-与非表达式、或非-或非表达式、与或非表达式5种表 示形式，每个表达式对应一个逻辑图。 步骤：（）根据文字要求将逻辑函数化成所需形式 （）根据所得逻辑函数选择逻辑门，然后逐级画出 逻辑图 例：已知逻辑函数表达式为 要求（）最简的与或逻辑函数表达式，并画出相应的逻辑 图 （）仅用与非门画出最简表达式的逻辑图 解： 根据最简与或表达式画逻辑图： 根据最简与非与非表达式画逻辑图： 2.2 逻辑函数的卡诺图化简法 2.2.1 2.2.1 最小项的定义及其性质最小项的定义及其性质 2.2.2 2.2.2 逻辑函数的最小项表达式逻辑函数的最小项表达式 退出退出 2.2.3 2.2.3 用卡诺图表示逻辑函数用卡诺图表示逻辑函数 2.2.4 2.2.4 用卡诺图化简逻辑函数用卡诺图化简逻辑函数 2.2.1 最小项的定义及其性质 （1）最小项的定义 N个变量12Xn的最小项是n个因子的乘积，每个变 量都以它的原变量或非变量的形式在乘积项中出现，且仅出现 一次。一般来说一般来说n n个变量的最小项应有个变量的最小项应有2 2 n n 个个。例如： A、B、C3个逻辑变量的最小项有23=8个，分别为 ： 3个变量A、B、C的8个最小项可以分别表示为： （2）最小项的表示方法：通常用符号mi来表示最小项。下标 i的确定：把最小项中的原变量记为1，反变量记为0，当变量 顺序确定后，可以按顺序排列成一个二进制数，则与这个二 进制数相对应的十进制数，就是这个最小项的下标i。 （3）最小项的性质： 任意一个最小项，只有一组输入变量取值使其值为1 全部最小项的和必为1。 ABC ABC 任意两个不同的最小项的乘积必为0。 不同的最小项使它的值为的那组输入变量的取值也不同。 任何一个逻辑函数都可以表示成唯一的一组最小项之和，称 为标准与或表达式，也称为最小项表达式 对于不是最小项表达式的与或表达式，可利用公式AA1 和A(B+C)ABBC来配项展开成最小项表达式。 2.2.2 逻辑函数的最小项表达式 如果列出了函数的真值表，则只要将函数值为1的那些最小 项相加，便是函数的最小项表达式。 m1ABC m5ABC m3ABC m1ABC 将真值表中函数值为0的那些最小项相加，便可得到 反函数的最小项表达式。 2.2.3 用卡诺图表示逻辑函数 1、卡诺图的构成 逻辑函数的图形化简法是将逻辑函数用卡诺图来表示，利 用卡诺图来化简逻辑函数。 一个逻辑函数的卡诺图就是将此函数的最小项表达式中的各 最小项相应的填入一个特定的方格图内，此方格图称为卡诺图。 卡诺图的特点是任意两个相邻的最小项在图中也是相邻的。 （相邻项是指两个最小项只有一个因子互为反变量，其余因子均 相同，又称为逻辑相邻项） 。 每个2变量的最小 项有两个最小项 与它相邻 每个3变量的最小 项有3个最小项与 它相邻 每个4变量的最小项有4个最小项与它相邻 最左列的最小项与 最右列的相应最小 项也是相邻的 最上面一行的最小 项与最下面一行的 相应最小项也是相 邻的 两个相邻最小项可以合并消去一个变量 逻辑函数化简的实质就是相邻最小项的合并 2、逻辑函数在卡诺图中的表示 （1）逻辑函数是以真值表或者以最小项表达式给出：在卡诺 图上那些与给定逻辑函数的最小项相对应的方格内填入1，其余 的方格内填入0。 m1 m3 m4 m7 m6 m11 m15 m14 （2）逻辑函数以一般的逻辑表达式给出：先将函数变换为与或 表达式（不必变换为最小项之和的形式），然后在卡诺图上与每 一个乘积项所包含的那些最小项（该乘积项就是这些最小项的公 因子）相对应的方格内填入1，其余的方格内填入0。 变换为与 或表达式 的公因子 的公因子 说明：如果求得 了函数的反函数 ，则对中所包含的 各个最小项，在卡诺 图相应方格内填入0， 其余方格内填入1。 3、卡诺图的性质 （1）任何两个（21个）标1的相邻最小项，可以合并为一项， 并消去一个变量（消去互为反变量的因子，保留公因子）。 （2）任何4个（22个）标1的相邻最小项，可以合并为一项， 并消去2个变量。 （3）任何8个（23个）标1的相邻最小 项，可以合并为一项，并消去3个变量。 小结小结：相邻最小项的数目必须为个才能合：相邻最小项的数目必须为个才能合 并为一项，并消去并为一项，并消去N N个变量。包含的最小项数个变量。包含的最小项数 目越多，即由这些最小项所形成的圈越大，消目越多，即由这些最小项所形成的圈越大，消 去的变量也就越多，从而所得到的逻辑表达式去的变量也就越多，从而所得到的逻辑表达式 就越简单。这就是利用卡诺图化简逻辑函数的就越简单。这就是利用卡诺图化简逻辑函数的 基本原理。基本原理。 1、化简的基本步骤 逻辑表达式 或真值表 卡诺图 1 1 2.2.4 用卡诺图化简逻辑函数 合并最小项 圈越大越好，但每个圈中标 的方格数目必须为 个。同一 个方格可同时画在几个圈内，但 每个圈都要有新的方格，否则它 就是多余的。不能漏掉任何一 个标的方格。 最简与或表达式 冗余项 2 2 3 3 将代表每个圈 的乘积项相加 两点说明： 在有些情况下，最小项的圈法不只一种，得到 的各个乘积项组成的与或表达式各不相同，哪个是最 简的，要经过比较、检查才能确定。 不是最简 最简 在有些情况下，不同圈法得到的与或表达 式都是最简形式。即一个函数的最简与或表达式 不是唯一的。 卡诺图化简法的总结: （1）化简步骤：填图、圈图、写最简式 （2）圈图原则：“矩”“指”成圈、能大勿小、能少勿多、对边相临 每圈包含2N个方格，且形状呈矩形才能画圈“矩”“指”成圈 每个圈含的方格尽量多，即圈越大越好能大勿小 圈数尽量少能少勿多 注意卡诺图上下及左右的对边方格的相临性对边相临 为满足以上几点，有些方格可重复利用，但每圈至少含一个新 方格 可只圈填1的方格，也可只圈填0的方格，后者得到的结果为反 函数，即与或非式 （3）写最简式原则：与项多少看圈数、因子如何看位置、互补因 子被消去 例：用卡诺图法化简逻辑函式L(A、B、C)= 解: (1)将原式变成与或表达式 （）填图和圈图 根据上面总结的规则对三变量的卡诺图填或填，再画圈 对卡诺图圈 对卡诺图圈 （）写最简式 圈时： 圈时： 随意项随意项：函数可以随意取值（可以为0，也可以为1）或不会出现 的变量取值所对应的最小项称为随意项，也叫做约束项或无关项 。 2、含随意项的逻辑函数 例如：判断一位十进制数是否为偶数。 不会出现 不会出现 不会出现 不会出现 不会出现 不会出现 说 明 1 1 1 10 0 1 1 1 1 1 1 01 0 1 1 0 1 1 0 10 0 1 0 1 1 1 0 01 0 1 0 0 1 0 1 10 0 0 1 1 1 0 1 01 0 0 1 0 0 1 0 0 10 0 0 0 1 1 1 0 0 01 0 0 0 0 Y A B C DY A B C D 输入变量A，B，C，D取值为00001001时，逻辑函数Y有 确定的值，根据题意，偶数时为1，奇数时为0。 A，B，C，D取值为1010 1111的情况不会出现或不允许 出现，对应的最小项属于随意项。用符号“”、“”或“d”表示。 随意项之和构成的逻辑表达式叫做