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文档简介
Chapter
3Combinational
LogicDesign
PrinciplesDDiiggiittaall
DDeessiiggnn——
PPiinncciipplleess
aanndd
PPrraaccttiicceessCombinational-CircuitysisExhausting
Way
(穷举法)将全部输入组合加到输入端;根据基本逻辑关系,从输入端到输出端,根据最后输出结果列出真值表。Combinational-CircuitysisAlgebra
Way
(代数法)由输入到输出逐级写出逻辑函数表达式;对输出逻辑函数表达式进行化简;判断逻辑功能。Refer
to
Figure
4-11,
4-12,
4-13Combinational-CircuitysisAlgebra
Way
(代数法)应用广义德·摩根定理来减少非运算Refer
to
Figure
4-14,
4-15,
4-16,
4-17(A
·
B)’
=
A’
+
B’ (A
+
B)’
=
A’
·
B’NAND
<=>
NOT-OR NOR
<=>
NOT-ANDCombinational-Circuitysis并项法:吸收法:消项法:利用A·B+A·B’=A·(B+B’)=A利用A+A·B=A·(1+B)=A利用A·B+A’·C+B·C=A·B+A’·C消因子法:利用A+A’·B=A+B配项法: 利用A
=
A+A 1
=
A+A’Formula
Minimization (公式法化简)Minimizing
Logic
Function(化简逻辑函数)Combinational-CircuitysisMinimizing
Logic
Function(化简逻辑函数)ExerciseMinimize
theLogic
Function
with
Formula
MathodY
=
A·C+B’·C+B·D’+C·D’+A·(B+C’)+A’·B·C·D’+A·B’·D·E=
A+B’·C+B·D’Combinational-Circuit
SynthesisIn
real
circuits,
AND
gates
are
slower
and
more
complex
than
NANDgates.
OR
gates
are
slower
and
more
complex
than
NOR
gates.A
sum-of-products
expression
can
be
realized
as
an
AND-OR
circuit.An
AND-OR
circuit
should
be
replaced
by
a
NAND-NAND
circuit
.Combinational-Circuit
SynthesisA
product-of-sums
expression
can
be
realized
as
an
OR-AND
circuit.AnOR-AND
circuit
should
be
replaced
by
a
NOR-NOR
circuit
.Combinational-Circuit
SynthesisPractice
1Design
a
logic
circuit
to plishthe
function
below:There
are
tow
switches
A
and
B.When
you
go
upstairs,
push
B
to
turn
on
the
light,
and
push
A
to
turn
offthe
light.When
you
go
downstairs,
push
A
to
turn
on
the
light,
and
push
B
to
turnoff
the
light.BALCombinational-Circuit
SynthesisPractice
1ABL000011101110BALTruth
TableL
=
∑A,B
(1,
2)=
A’·B
+
A·B’ABLABLXORGate!Combinational-Circuit
SynthesisPractice
2Design
a
three-variablevoter.If
two
or
three
ofthem
agree,pass
the
proposal.Otherwise,
deny.Combinational-Circuit
SynthesisPractice
2F
=
∑A,B,C
(3,
5,
6,7)=
A’·B·C
+
A·B’·C
+
A·B·C’
+
A·B·C=
A’·B·C
+
A·B·C
+
A·B’·C
+
A·B·C
+
A·B·C’
+
A·B·CABCF00000010010001111000101111011111=
B·C
+
A·C
+
A·BTruth
TableABCABCCombinational-Circuit
SynthesisPractice
3Design
a
4-bit
Pri mber
Detector
(素数检测器).Given
a
4-bit
input
combination
N
=
N3N2N1N0,this
function
produces
a
1
outputfor
N
=
1,
2,
3,
5,
7,
11,
13,
and
0
otherwise.So,
it
can
berepresented
as
a
Canonical
Sum(标准和)F
=
∑N3,N2,N1,N0
(1,
2,
3,
5,
7,
11,
13)Combinational-Circuit
SynthesisPractice
3Standard
Design
of
a
4-bitPri mber
DetectorCombinational-Circuit
SynthesisPractice
3It
can
be
simplified
by
T10.F
=
∑N3,N2,N1,N0
(1,
2,
3,
5,
7,
11,
13)=
N3’·N2’·N1’·N0
+
N3’·N2’·N1·N0’
+
N3’·N2’·N1·N0
+N3’·N2·N1’·N0
+
N3’·N2·N1·N0
+
N3·N2’·N1·N0
+
N3·N2·N1’·N0=
N3’·N2’·N0
+
N3’·N2’·N1·N0’
+
N3’·N2·N0
+
N3·N2’·N1·N0
+N3·N2·N1’·N0=
N3’·N0
+
N3’·N2’·N1·N0’
+
N3·N2’·N1·N0
+
N3·N2·N1’·N0Combinational-Circuit
SynthesisPractice
3Realization
of
Logic
CircuitsCombinational-Circuit
SynthesisPractice
3Logic
function
of
the
4-bit
Pri mber
Detector:F
=
N3’·N0
+
N3’·N2’·N1·N0’
+
N3·N2’·N1·N0
+
N3·N2·N1’·N0Please
simplify
it
further
...Is
there
a
better
way——Karnaugh
Maps(卡诺图)Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)便于采用定理T10、T10’来进行相关项的合并!Why?最小项
/最大项的序号相邻两方格只有一个变量发生改变,符合格雷码规则。将最小项或最大项以二维表格形式排列Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)ExampleX’·Y·Z’X’·Y’·Z+X·Y’·Z=Y’·Z
(According
to
T10)
X·Y·Z+X·Y’·Z=X·ZF
=
∑X,Y,Z
(1,2,5,7)
=
X’·Y’·Z+X’·Y·Z’+X·Y’·Z+X·Y·Z=
X·Z
+
Y’·Z
+
X’·Y·Z’Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)卡诺图化简步骤填写卡诺图可由真值表、标准和或标准积等来填写圈组:找出相邻的1或0每组(圈)内为全1或全0,且个数为2的幂组(圈)内1或0的个数尽量多,组(圈)数尽量少,确保所有1或0都被圈过如果需要,1或0可被圈多次(根据T3、T3’)读图:若圈1,写出合并后的乘积项;若圈0,写出合并后的求和项消掉有变化的变量;保留无变化的变量写出化简后的积之和表达式(圈1)或和之积(圈0)表达式可以圈6个吗Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)两个相邻项,可消去一个变量AB00
01
11
10CD000111101011101111110001A·B·DB’·D’C四个相邻项,可消去两个变量八个相邻项,可消去三个变量2n个相邻项,可消去n个变量蕴含项(Implicant):只包含1的一个矩形圈主蕴含项(Prime
Implicant)
:扩展到最大的蕴含项完全和:所有主蕴含项之和最小和:即化简结果,部分主蕴含项之和
奇异“1”单元:只能被一个主蕴含项覆盖质主蕴含项(Essential
PrimeImplicant):含有奇异1单元的主蕴含项ABCD00
01
11
100001111011
111
11
1
1
1Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)几个概念Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)Example
1CD0001111000
01
11
101
1
11
1
11
11
1
1哪些是奇异1单元?找出所有的主蕴含项AB哪些是质主蕴含项?Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)Example
1CDAB00
01
11
10000111101
1
11
1
1CDAB00
01
11
100001111111
11
1
1
10
1
11
1
11
1
1化简结果不一定唯一,但代价相同Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)Example
2CD0001111011
1
11
1没有奇异1单元没有质主蕴含项AB
找出所有的主蕴含项00
01
11
10Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)Example
3CDAB00
01
11
10000001001101000A’+C→原变量→反变量A’+BF=
(A+B’+C’+D)·(A’+C)·(A’+B)CDAB00
01
11
10000111
1
1
1
10
0
1
00
0
1
010
0
0
1
0Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)Example
4圈0和圈1的代价相同吗?圈1得最小和:F=A·B+C·D圈0得最小积:F=(A+C)·(A+D)·(B+C)·(B+D)∴圈1代价最小Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)Practice
3Let’s
optimize
the
foregoing
4-bit
Pri mber
Detector
.N1N0N3N200011110F
=
∑N3,N2,N1,N0
(1,
2,
3,
5,
7,
11,
13)00
01
11
100
0
0
01
1
1
01
1
0
11
0
0
0N3’·N0N
’·N
’·N3
2
1N2·N1’·N0N2’·N1·N0F=
N
’·N +
N
’·N
’·N3
0
3
2
1+
N2’·N1·N0
+
N2·N1’·N0Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)Practice
3F
=
N3’·N0
+
N3’·N2’·N1+
N2’·N1·N0
+
N2·N1’·N0Let’s
optimize
the
foregoing
4-bit
Pri mber
Detector
.F
=
∑N3,N2,N1,N0
(1,
2,
3,
5,
7,
11,
13)Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)五变量卡诺图之化简010
110
111
101
100ABCDE符合格雷码排列00只能消掉一项!011110前面提到的卡诺图的化简方法不再适用!对于四个以上变量的情况,可拆分为多个四变量卡诺图来化简!041121812412820211737151127312319261410263022Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)五变量卡诺图之化简For
example:
F=
A,B,C,D,E(0,1,2,3,4,5,10,11,14,20,21,24,25,26,27,28,29,30)ABC
DE00011110010110
111
101
10001411282412812011111211173171511127131231921614110126130122A
=
0A
=
1Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)五变量卡诺图之化简011110DE000001111001411281511391121611A
=
0A
=
1011110DE0010
11
01
0024128120116251291211172713123192613012218A
=
1011110For
example:
F=
A,B,C,D,E(0,1,2,3,4,5,10,11,14,20,21,24,25,26,27,28,29,30)BC
BC
BCDE0000
01
11
1016201281241172112912511923312711822301261Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)五变量卡诺图之化简A
=
0BCDE
00
01
11
1000
101
111
110
11111
1BCDE
00
0111
10111000
101
11
11
111
1A
=
1F
= A’·B’·D’
+
A’·C’·D
+ A·C·D’
+
A·B·C’
+
B·D·E’Combinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)多输出函数的最小化ABCF1F2ABC
00
01
11
1001111ABC
00
01
11
1001111F1=
A’·B’
+
A’·CF2=
A·B
+
B·CCombinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)多输出函数的最小化ABCF1F2ABC
00
01
11
1001111ABC
00
01
11
1001111F1=
A’·B’
+A’·B·CF2=
A·B
+
A’·B·CCombinational-Circuit
SynthesisKarnaugh
Maps
(卡诺图)“Don’t-Care”
Input
Combinations(“无关”输入组合)有时组合电路的输出和某些输入组合无关F
=
A,B,C,D(1,2,3,5,7)
+
d(10,11,12,13,14,15)CDAB00
01
11
10000111ddd
dd
d10
11
11
1F=
A’·D
+
B’·CA’·DB’·Cd
集(d-set)Combinational-Circuit
SynthesisRepresentations
of
Combinational
Logic
CircuitsTruthTableLogicExpressionMinterm
ListMaxterm
ListKarnaugh
MapLogic
DiagarmWaveform
DiagramCanonical
SumCanonical
ProductMinimal
ExpressionOtherFormsTimingHazardsTerms竞争(Race):在组合电路中,信号经由不同的途径达到某一会合点的时间有先有后,这种现象称为竞争。(Hazard):由于竞争而引起电路输出发生瞬间错误现象称为 。表现为输出端出现了原设计中没有的窄脉冲,常称其为毛刺。竞争与
的关系:有竞争不一定会产生
,但有就一定有竞争。TimingHazardsStatic
HazardsGlitch(尖峰)AA’FAFA’Static-1
Hazards
(静态1型
)Logic
DiagramTiming
Diagram主要存在于“与-或”电路中当在某输入条件下,输出端能简化成:F
=
(A·A’)’
=
A+A’,则存在静态1型
.一级延迟TimingHazardsStatic
HazardsLogic
DiagramTiming
DiagramStatic-1
Hazards
(静态1型
)Example=1=1存在静态1型
!TimingHazardsStatic
Hazards当在某输入条件下,输出端能简化成:F
=
(A+A’)’
=
A·A’
,则存在静态0型
.Static-0
Hazards
(静态0型
)Logic
DiagramTiming
DiagramAFA’Glitch(尖峰)AA’F一级延迟主要存在于“或-与”电路中TimingHazardsStatic
Hazards=0=0=0Static-0
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