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1、4.组合逻辑电路 组合逻辑电路分析 组合逻辑电路设计 竞争与冒险 若干典型的组合逻辑电路 组合可编程逻辑器件 用 Verilog HDL描述组合逻辑电路 2 教学要求 1. 掌握组合逻辑电路的分析和设计方法； 2. 掌握编码器、译码器、数据选择器、数据分配器、数值比较器和加法器等常用组合模块电路的逻辑功能和应用； 3. 理解竞争与冒险概念； 4. 掌握可编程逻辑器件的表示方法，理解用 PLD实现组合逻辑电路的原理； 5. 熟练使用 Verilog HDL描述组合逻辑电路。 3 引 言 组合逻辑电路 ：任意时刻电路的输出只取决于该时刻的输入 ,而与电路原来的状态无关。 yi=f (x1, x2,
2、 , xn ) (i=1,2, , m) 组合电路 特点 ： 输出与输入之间无反馈延迟通路 电路中不含记忆单元 x1 x2 xn y1 y2 ym 组 合 逻辑电路 4 4.1 组合逻辑电路分析 逻辑图 输出逻辑表达式 化简或变换各逻辑表达式 真值表 分析电路逻辑功能 波形图 真值表 输出逻辑表达式 化简或变换各逻辑表达式 分析电路逻辑功能 一般分析步骤 分析目的 ： 对一个已知的逻辑电路，找出其输出与输入之间 的逻辑关系，确定电路逻辑功能。 BA Z 3 Z 2 Z 1 5 组合分析 例 1 BABABABABA A B Z 1 Z 2 Z 3 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0
3、 0 0 1 1 1 0 1 0 逻辑功能 ： 该电路为 1位数值比较器 ， 当 Z1、 Z2、 Z3分别输出高电平时 表示 AB的情况。 真值表为 : （若 A、 B为 n位二进制信号 则称为 n位数值比较器） 6 组合分析 例 2 X = A BABAY B A C Y X Z BABA CACAZ 真值表 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 Z Y X C B A 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 对输入的二进制数求反码。最高位为符号位，正数的反码与原码相同；负数的数
4、值部分是在原码的基础上逐位求反。 逻辑功能 : 表达式： 7 组合分析 例 3 已知某电路的输入输出波形如图，分析该电路功能。 A B C X Y 输入 输出 解：由波形图可写出真值表 8 例 3 A B C X Y0 0 0 0 00 0 1 1 00 1 0 1 00 1 1 0 11 0 0 1 01 0 1 0 11 1 0 0 11 1 1 1 1表达式： CBACBACBACBA CBACBACBACBA 逻辑功能 ：该电路为 1位全加器 ， A、 B为两个加数， C是 低位 的进位，输出 X是和， Y是向高位的进位。 CBA 真值表 (不考虑低位进位的加法电路称为 半加器 ) )
5、7,4,2,1(),( mCBAX )7,6,5,3(),( mCBAY 9 4.2 组合逻辑电路设计 设计目标 根据逻辑功能要求 ,作出实现此功能的逻辑电路 。 电路实现方式 门电路 、常用组合逻辑模块电路、 PLD等 10 一般设计步骤 1. 逻辑抽象 根据实际逻辑问题的因果关系确定输入、输出变量，并定义逻辑状态的含义； 2. 根据逻辑描述列出真值表或功能表； 3. 由真值表或功能表写出逻辑表达式； 4. 化简或变换逻辑表达式； 5. 画逻辑图。 11 组合设计 - 例 1 设计一个三人表决逻辑电路， 要求三人中多数同意则表决 通过。 解 ： 设 三个输入变量用 A,B,C表示 ,同意为
6、1，否则为 0； 输出变量用 L表示， 表决 通过 时 L为 1，否则为 0。 由题意列出真值表 : 表达式 : 化简 : ACBCABL A BC 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 逻辑图 : A B C L 12 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 其 余 组合设计 - 例 2 设计一个识别 4个按键的编码电路 , 当四个键中某一个被按下时，电路输出这个键的相应代码。 解： 编码电路 K3 K2 K1 K0 A1 A0 K3K2 K1 K0 A1 A0 d d S S 11110 (逻辑电路图略 ) 设 4个
7、按键用 K3K2K1K0表示，按键按下为 1，不按为 0。 输出变量 S表示电路的工作状态，处于编码状态时 S为 1，否则为 0。 则可作出真值表： 经化简 , 得输出 表达式： 231 KKA 130 KKA 0123012301230123KKKKKKKKKKKKKKKKS输出编码用 A1A0表示 ,且 K3K2K1K0键 对应的代码分别为 11,10,01,00。 13 组合设计例 2的另一种设计方案 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1111 K3 K2 K1 K0 A1 A0 S 其 余 0 0 0 真值表如下： 得输出表
8、达式： 012301231 KKKKKKKKA 012301230 KKKKKKKKA 0123012301230123KKKKKKKKKKKKKKKKS例 2的另一种设计方案 14 4-1数据选择器的 功能表如下所示， 试设计实现该 电路。 S1 S0 F 0 0 D0 0 1 D1 1 0 D2 1 1 D3 由功能表可得输出表达式： 301201101001 DSSDSSDSSDSSF 解： 组合设计 - 例 3 (逻辑电路图略 ) 15 4.3 竞争与冒险 竞争与冒险 产生原因及检查方法 消除方法 16 竞争冒险现象 A F & A F 1 实际波形 理论波形 F=0 A A A ?0
9、 AAFA F A F=1 A A 1 A F 1 ?1 AAF(若 A的变化为 10, 则输出不会出现错误脉冲 ) (若 A的变化为 01, 则输出不会出现错误脉冲 ) 17 产生原因与检查方法 竞争 ： 当一个逻辑门的两个输入端的信号同时向相反方向 变 化 ，而变化的时间有差异的 现象 。 冒险： 由于竞争 而导致输出 产生干扰脉冲的 现象 ,也称为险象。 针对互补信号的险象判断 对具备互补形式的 某变量 (例如 A)，将除该 变量以外的其它变量取 0或 1值，若原函数能够化成 A+A或 A A的 形式，则对变量 A存在竞争 -冒险 。 由于信号 在电路 内部的传输路径不同，或者逻辑单元的
10、延迟时间存在差异，以及信号存在互补变化等因素，易产生竞争 -冒险现象。 18 从表达式检查 CBBCBAF 例： 当 A=1、 C=1时 ， F=B+B 变量 B存在竞争 -冒险 检查 B： 检查 C： 当 B=0时 ， F=A+C 变量 C不 存在竞争 -冒险 当 B=1时 ， F=C； 19 增加 冗余项 消除方法 在卡诺图 上将用 多余的 圈圈起来 即可消除竞争冒险 CBBCBAF 例： 将 F 改为 ： 即可消除竞争冒险 CBACBCBAF A BC 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 20 作 业 P219 - 221 4.1.7 4.2.7 4.3.3 补充习题 . 如图所示一加热水容器， A、 B、 C为水位传感器，当 传感器被浸没时输出高电平 。 试设计一电路， 当水面在AB之间时，绿灯 G亮 (正常状态 )；水面在 BC之间或在 A以上时，黄灯 Y亮 (异常状态 )；当水面在 C以下，红灯 R亮 (危险状态 )。试求该控制电路的输出最简表达式。 C A B
