组合逻辑电路设计设计05(第五章A-传统设计)(1)

1、数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计杨泓渊杨泓渊带着问题去学习带着问题去学习1 1、什么是组合逻辑电路？有何特点？、什么是组合逻辑电路？有何特点？2 2、如何分析给定组合逻辑电路的功能？、如何分析给定组合逻辑电路的功能？3 3、组合逻辑的设计步骤？、组合逻辑的设计步骤？4 4、在组合逻辑设计过程中，、在组合逻辑设计过程中， design design 与与synthesissynthesis有什么不同？有什么不同？5 5、实现组合逻辑有哪些方式？针对不同的实、实现组合逻辑有哪些方式？针对不同的实现方式，设计方法有什么不同？现方式，设计方法有什么不同？第第5 5章：组合逻辑电路章：组合逻辑电路5

2、-1 5-1 概述概述5-2 5-2 组合逻辑电路分析组合逻辑电路分析5-3 5-3 组合逻辑设计组合逻辑设计5-4 5-4 竞争与冒险竞争与冒险吉林大学仪器科学与电气工程学院：数字电路与逻辑设计吉林大学仪器科学与电气工程学院：数字电路与逻辑设计5-1 5-1 概述概述数字电路与逻辑设计：第数字电路与逻辑设计：第4章章 组合逻辑电路组合逻辑电路n 组合逻辑电路定义组合逻辑电路定义 若一个逻辑电路在任何时刻的输出稳若一个逻辑电路在任何时刻的输出稳定信号仅取决于该时刻的输入信号，定信号仅取决于该时刻的输入信号，而与过去的输入信号无关，而与过去的输入信号无关，或者与输或者与输入信号作用前的电路状态无

3、关入信号作用前的电路状态无关，则该，则该逻辑电路称为逻辑电路称为组合逻辑电路组合逻辑电路。n 组合逻辑电路特点：组合逻辑电路特点：1. 功能：任意时刻的输出仅取决于输入功能：任意时刻的输出仅取决于输入2. 电路结构：不含存储或记忆元件电路结构：不含存储或记忆元件组合逻辑电路组合逻辑电路1a2ana1y2ymy组合逻辑电路的框图组合逻辑电路的框图组合逻辑电路的输入组合逻辑电路的输入/ /输出关输出关系可以用逻辑函数来表示。系可以用逻辑函数来表示。n 组合逻辑电路的类型组合逻辑电路的类型 单输出组合逻辑电路单输出组合逻辑电路 多输出组合逻辑电路多输出组合逻辑电路 5-2 5-2 组合逻辑电路分析组

4、合逻辑电路分析数字电路与逻辑设计：第数字电路与逻辑设计：第4章章 组合逻辑电路组合逻辑电路依据给定逻辑电路，找出其输出与输入之间的依据给定逻辑电路，找出其输出与输入之间的逻辑关系。逻辑关系。 组合逻辑电路分析的一般步骤：组合逻辑电路分析的一般步骤：1. 依据电路写出输出函数表达式，对表达式进依据电路写出输出函数表达式，对表达式进行化简；行化简；2. 列写真值表，对其功能进行总结；列写真值表，对其功能进行总结； 组合逻辑电路分析举例组合逻辑电路分析举例P1P2P3P4P5P65-3 组合逻辑设计组合逻辑设计n 根据题目要求完成根据题目要求完成逻辑功能逻辑功能设计，并在设计，并在特定特定条件条件下

5、下实现实现该逻辑功能，这一过程称为该逻辑功能，这一过程称为“逻辑逻辑设计设计”。n 逻辑设计是逻辑分析的逆过程。逻辑设计是逻辑分析的逆过程。n 在实际应用中，设计要求一般以文字形式在实际应用中，设计要求一般以文字形式给出，因此逻辑设计的首要任务是将给出，因此逻辑设计的首要任务是将文字文字描述描述抽象为抽象为逻辑关系逻辑关系（从逻辑代数角度给（从逻辑代数角度给出其描述）。出其描述）。n对于组合逻辑设计而言，即从对于组合逻辑设计而言，即从“问题描述问题描述”抽象出抽象出“逻辑表达式逻辑表达式”。n 在实现逻辑设计时，根据所采用在实现逻辑设计时，根据所采用物理器件物理器件的不同（的不同（基本元件如各

6、种逻辑门基本元件如各种逻辑门，中规模中规模功能块功能块，CPLD/FPGA等大规模电路等大规模电路），需），需要对要对逻辑表达式逻辑表达式进行必要的变换，以适应进行必要的变换，以适应物理器件的结构。物理器件的结构。一、逻辑抽象一、逻辑抽象n 分析因果关系，确定输入分析因果关系，确定输入/ /输出变量输出变量n 定义逻辑状态的含意（赋值）定义逻辑状态的含意（赋值）二、逻辑功能描述二、逻辑功能描述： 列出真值表列出真值表，布尔表达式，布尔表达式，HDLHDL语言等语言等三、选定三、选定器件类型，根据具体器件进行调整器件类型，根据具体器件进行调整：n （基本逻辑门）对逻辑式化简（基本逻辑门）对逻辑式

7、化简n （中规模逻辑器件（中规模逻辑器件MSIMSI）变换）变换n （PLDPLD）将）将HDLHDL语句封装为完整程序代码语句封装为完整程序代码四、画出逻辑电路图，或下载到四、画出逻辑电路图，或下载到PLDPLD组合逻辑设计步骤组合逻辑设计步骤5-3-1 5-3-1 基于门电路的组合逻辑设计基于门电路的组合逻辑设计例例1: (1: (直接由问题描述写出逻辑表达式直接由问题描述写出逻辑表达式，1 1类类) )设计一家庭报警电路，当应急（设计一家庭报警电路，当应急（PANICPANIC）输）输入为入为1 1；或者当使能；或者当使能(ENABLE)(ENABLE)输入为输入为1 1，离开，离开(E

8、XITING)(EXITING)输入为输入为0 0，并且房屋不安全时，报，并且房屋不安全时，报警警(ALARM)(ALARM)输出为输出为1 1。当门当门(DOOR)(DOOR)，窗，窗(WINDOW)(WINDOW)，车库，车库(GARAGE)(GARAGE)输输入都为入都为1 1时，房屋是安全的。时，房屋是安全的。例例2：( (无法直接写出逻辑表达式，无法直接写出逻辑表达式，2 2类类) ) 设计一个设计一个3位二进制数的检测电路，当输入位二进制数的检测电路，当输入的的3位二进制数为质数时，输出为位二进制数为质数时，输出为1。4bit4bit素数检测电路素数检测电路例例3 3: (: (无

9、法直接写出逻辑表达式，无法直接写出逻辑表达式，2 2类类) )设计一个设计一个1bit全加器全加器。输入输入 X,Y,CI 输出输出 Z,CO例例4 4： 含有无关项的组合逻辑设计含有无关项的组合逻辑设计 四舍五入电路四舍五入电路 输入输入8421BCD8421BCD码，输出码，输出F F。(5,6,7,8,9)(10,11,12,13,14,15)Fmd无关项：无关项：在实际逻辑问题中，不会出现的输在实际逻辑问题中，不会出现的输入变量取值组合，其对应的函数值无定义入变量取值组合，其对应的函数值无定义，可以是，可以是0，也可以是，也可以是1。这种输入变量取这种输入变量取值组合对应的最小项称为无

10、关项。值组合对应的最小项称为无关项。在列函在列函数的标准与或式时，其可以作为最小项之数的标准与或式时，其可以作为最小项之一在和式中出现，也可以不在和式中出现一在和式中出现，也可以不在和式中出现，依据最简表达式的需要进行取舍。，依据最简表达式的需要进行取舍。无关项无关项课后请对照教材学习以下内容课后请对照教材学习以下内容常用中规模集成（组合逻辑）电路：常用中规模集成（组合逻辑）电路：编码器、译码器、数据选择器、加法器、编码器、译码器、数据选择器、加法器、数值比较器，数值比较器，要求：分析并熟悉其逻辑功能特点（教材要求：分析并熟悉其逻辑功能特点（教材P145 P160）。）。 10-10010-1

11、00逻辑门。逻辑门。 常用组合逻辑电路集成而来。常用组合逻辑电路集成而来。 专有一种基本功能，并可改装、重组专有一种基本功能，并可改装、重组为其他逻辑功能。为其他逻辑功能。5-3-2 5-3-2 基于中规模集成（组合逻辑）电路的组基于中规模集成（组合逻辑）电路的组合逻辑设计合逻辑设计一、二进制加法器一、二进制加法器能够并行产生两个能够并行产生两个N位二进制数的位二进制数的“算术和算术和”的逻辑部件。的逻辑部件。* 逐位进位二进制加法器逐位进位二进制加法器 ripple adder74LS82,74LS83: 4位位串行串行进位加法器进位加法器* * 超前进位二进制并行加法器超前进位二进制并行加

12、法器根据根据所有输入信号所有输入信号同时产生同时产生各个进位各个进位。1()iiiiiiCAB CABiPiG74x283 74x83A： 4bit超前进位二进制全加器，管脚结构。超前进位二进制全加器，管脚结构。二、编码器（二、编码器（ encoders）2N个输入个输入N个输出个输出其他输入输出控制端其他输入输出控制端普通编码器普通编码器优先编码器优先编码器普通编码器的问题（冲突）普通编码器的问题（冲突）74LS148 8线线-3线优先编码器线优先编码器EI： 使能输入使能输入 EO：使能输出：使能输出GS：编码有效输出：编码有效输出I7I0：编码编码输入输入A2A0：编码输出编码输出“0”

13、为为有效输入电平有效输入电平74LS148 功能表功能表二二-十进制编码器：十进制编码器：74LS147将输入（代表十进制数字）编码为将输入（代表十进制数字）编码为8421BCD码码三、译码器（三、译码器（decoders）编码器的逆过程编码器的逆过程 。分类分类二进制译码器二进制译码器 二二- -十进制译码器十进制译码器 七段七段译码器译码器将将N个输入变量变换为个输入变量变换为2N个输出，每个输出个输出，每个输出对应对应N个变量的一个最小项或者最大项个变量的一个最小项或者最大项（取（取决于电路结构）。决于电路结构）。 二进制译码器二进制译码器N个输入个输入2N个输出个输出一个或多个使能端一

14、个或多个使能端74x138 (又称又称3-8 译码器译码器)Y0 = ? 使能使能 输入码值输入码值 译码结果输出译码结果输出译码器的级联译码器的级联EN_L:总体使能总体使能N3:片选端片选端 七段译码器七段译码器74LS47功能描述：功能描述：BI 熄灭（输出全熄灭（输出全0）LT 灯测试（输出全灯测试（输出全1）RBI 灭零灭零74LS47 共阳数码管驱动共阳数码管驱动IC OC输出输出74LS49 共阴数码管驱动共阴数码管驱动IC OC输出输出 二二 十进制译码器十进制译码器与二进制译码器功能类似，参考教材与二进制译码器功能类似，参考教材P148P148。四、数据选择器（四、数据选择器

15、（multiplexer）2N个数据输入，个数据输入，N个选择信号输入，个选择信号输入，依据依据N个选择信号的取值从个选择信号的取值从2N个输入数据中选个输入数据中选择一个送到输出端。择一个送到输出端。BAD0D1D2D3Y000XXX000100010010011001010100101110011001001101100111010011111四选一四选一数据选择器数据选择器真值表真值表74x151 8选选1MUX数据选择器数据选择器又称多路选择器，多路开关，简写又称多路选择器，多路开关，简写为为MUX。74x157 4bit 2选1MUX* 多路分配器（多路分配器（Demultiplex

16、er） 又称数据分配器，常用又称数据分配器，常用DEMUXDEMUX表示。其结构表示。其结构与多路选择器正好相反。是一种单输入，与多路选择器正好相反。是一种单输入，多输出的逻辑部件。输入数据从哪一路输多输出的逻辑部件。输入数据从哪一路输出由选择控制输入决定。出由选择控制输入决定。四、数值比较器四、数值比较器 （ comparator）用于比较两个用于比较两个4位自然位自然二进制数的大小。二进制数的大小。4位比较器构成位比较器构成12位比较器位比较器基于中规模集成电路的组合逻辑设计方法基于中规模集成电路的组合逻辑设计方法 在熟悉并深刻理解常用中规模逻辑部件功在熟悉并深刻理解常用中规模逻辑部件功能

17、的基础上，将问题转化为选用逻辑部件能的基础上，将问题转化为选用逻辑部件的功能。设计时应充分利用逻辑部件的功的功能。设计时应充分利用逻辑部件的功能以及各个控制端，在门电路的基础上将能以及各个控制端，在门电路的基础上将问题进行进一步的抽象化，类似汇编语言问题进行进一步的抽象化，类似汇编语言与高级程序设计语言之间的关系（如与高级程序设计语言之间的关系（如C C）。）。* 设计实例设计实例1 1、用、用3-83-8译码器译码器74LS13874LS138结合必要的逻辑门实现逻辑函数：结合必要的逻辑门实现逻辑函数：)7 , 3 , 2 , 0(mF画出逻辑连接图。画出逻辑连接图。逻辑图逻辑图逻辑图逻辑图

18、5-3-3 基于基于VHDL的组合逻辑设计的组合逻辑设计本部分内容单独讲解本部分内容单独讲解5-4 5-4 竞争与冒险竞争与冒险竞争竞争冒险冒险 (hazard)(hazard)毛刺毛刺 (glitch)(glitch)数字电路与逻辑设计：第数字电路与逻辑设计：第4章章 组合逻辑电路组合逻辑电路 竞争与冒险的产生竞争与冒险的产生 在逻辑电路中，多个输入信号在传输过程在逻辑电路中，多个输入信号在传输过程中受中受逻辑门固有延迟逻辑门固有延迟、逻辑门级数逻辑门级数、导线导线长度长度等因素的影响，导致其到达输出端的等因素的影响，导致其到达输出端的时间有先有后，这种现象称为竞争现象。时间有先有后，这种现象称为竞争现象。 由于竞争可能导致逻辑由于竞争可能导致逻辑电路产生电路产生错误的输出错误的输出，称为称为冒险冒险。组合逻辑电。组合逻辑电路中的冒险是一种瞬态路中的冒险是一种瞬态现象，表现为输出端出现象，表现为输出端出现不应有的尖脉冲（毛现不应有的尖脉冲（毛刺）。刺）。 冒险现象的判断冒险现象的判断1 1、代数法、代数法 若某个变量若某个变量X X同时以原变量和反变量的形同时以原变量和反变量的形式出现在函数表达式中，并且式出现在函数表达式中，并且在一定条件在一定条件下该下该函数