物理第四章组合逻辑电路学习教案.pptx

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1、会计学1物理物理(wl)第四章组合逻辑电路第四章组合逻辑电路第一页，共134页。组合组合组合组合(zh)(zh)(zh)(zh)逻辑电路的逻辑电路的逻辑电路的逻辑电路的定义定义定义定义 逻辑电路按其功能分为:组合(zh)逻辑电路和时序逻辑电路 电路(dinl)任一时刻的输出状态只决定于该时刻各输入状态的组合，而与电路(dinl)的原状态无关。组合电路就是由门电路组合而成，电路中没有记忆单元，没有反馈通路。第1页/共134页第二页，共134页。组合组合组合组合(zh)(zh)(zh)(zh)逻辑电逻辑电逻辑电逻辑电路路路路组合逻辑电路X0X1X2Xn-1Y0Y1Y2Ym-1X0、X1、X2 Xn

2、-1输入(shr)变量Y0、Y1、Y2 Ym-1输出(shch)变量Y0=f0(X0，X1，X2 Xn-1）Y1=f1(X0，X1，X2 Xn-1）Y2=f2(X0，X1，X2 Xn-1）Ym-1=fm-1(X0，X1，X2 Xn-1）每一个输出变量是全部或部分输入变量的函数：X0X1Xn-1Y0Y1Yn-1第2页/共134页第三页，共134页。组合组合组合组合(zh)(zh)(zh)(zh)逻辑电路逻辑电路逻辑电路逻辑电路分析分析分析分析（1）根据给定逻辑图写出输出逻辑函数(hnsh)表达式；（2）对逻辑函数(hnsh)表达式化简，写出最简与或表达式；（3）根据最简表达式列出真值表；（4）由

3、真值表说明给定电路的逻辑功能。第3页/共134页第四页，共134页。【例例例例1 1】ABY0Y1ABABBABAY0=ABAABB=ABA+ABB=AB+ABY1=ABA BY0 Y1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1逻辑功能：一位二进制加法(jif)。Y0:本位和；Y1：进位位。组合(zh)电路如图所示，分析该电路的逻辑功能。第4页/共134页第五页，共134页。【例例例例2 2】YD3SD2D1D0A0A1分析下面组合电路的逻辑(lu j)功能。Y=SA1A0D3SA1A0D2SA1A0D1SA1A0D0Y=SA1A0D3+SA1A0D2+SA1A0D1+S

4、A1A0D0第5页/共134页第六页，共134页。逻辑逻辑逻辑逻辑(lu(lu j)j)功能功能功能功能D31 10D21 00D10 100 1D00 00YA1A0SYD3SD2D1D0A0A1四选一数据(shj)选择器A1A0:选择(xunz)控制(地址)D3D2D1D0:数据输入Y=SA1A0D3+SA1A0D2+SA1A0D1+SA1A0D0S:使能端(选通端、片选端)低电平有效第6页/共134页第七页，共134页。【例例例例3 3】分析下面(xi mian)组合电路的逻辑功能。Y1Y2Y311AB111Y1=A+B=A BY3=A+B=ABY2=A+BA+B+=(A+B)(A+B)

5、=AB+ABA B Y10 0 00 1 01 0 11 1 0Y2Y3 1 0 0 10 01 0功能:当 AB 时,Y1=1 当 A=B 时,Y2=1 当 AB0 0 00 1 01 0 11 1 00010YAB=AiBiYAB=AiBi3.逻辑图：YA=B=AiBi+AiBi=Ai Bi+AiBiYABAiBi11&=第86页/共134页第八十七页，共134页。二、四位二、四位二、四位二、四位(s wi)(s wi)数值比数值比数值比数值比较器较器较器较器A3A2 A1 A0B3B2 B1 B0从高位(o wi)开始比较，若A3B3 则AB，若A3B3 则AB A B3XXX1 0 0

6、A3 B2XX1 0 0A3=B3A2 B1X1 0 0A3=B3A2=B2A1 B01 0 0A3=B3A2=B2A1=B1A0 Bi的条件(tiojin)：Ai=1，Bi=0；即AiB)=W3+Y3W2+Y3Y2W1+Y3Y2Y1W0+Y3Y2Y1Y0(AB)=(A=B)=集成化四位数值比较器7485A3A1B3B1A2A0B2B0YABYA=B7485ABABA=B低位比较输入第88页/共134页第八十九页，共134页。74748585逻辑图逻辑图逻辑图逻辑图第89页/共134页第九十页，共134页。【例例例例】用两片7485构成七位数值(shz)比较器。分段比较(bjio)：先比较(b

7、jio)高三位，若A6 A5 A4=B6 B5 B4，再比较(bjio)低四位。七位数码(shm)输入比较输出YABYA=BABABA=BA3A2A1A0B3B2B1B07485（2）A6 A5 A4B6 B5 B4“1”A3A2A1A0B3B2B1B0YABYA=BABABA=B7485（1）A3A2A1A0B3B2B1B0第90页/共134页第九十一页，共134页。用用用用74748585构成构成构成构成(guchng)(guchng)五位五位五位五位数值比较器数值比较器数值比较器数值比较器A3A2A1A4B3B2B1B4YABYA=BABABAB第91页/共134页第九十二页，共134页

8、。用用用用74748585构成构成构成构成(guchng)24(guchng)24位位位位数值比较器数值比较器数值比较器数值比较器第92页/共134页第九十三页，共134页。45 45 算术算术算术算术(sunsh)(sunsh)逻辑运逻辑运逻辑运逻辑运算单元算单元算单元算单元1、一位加法器（1）半加器不考虑(kol)低位进位输入，两数码 X、Y相加，称半加 X Y F0 0 00 1 11 0 11 1 0C0001F=XY+XY=X Y+C=XY=1&FCXYXYFCCO第93页/共134页第九十四页，共134页。（2 2）全加器）全加器）全加器）全加器COCnXnYnFnCn-1CI被加

9、数(ji sh)、加数(ji sh)以及低位的进位三者相加称为“全加”真值表1110100110010100111011101001110010100000CnFnCn-1 Yn Xn 全减器的真值表如何(rh)？第94页/共134页第九十五页，共134页。全加器全加器全加器全加器1110100110010100111011101001110010100000CnFnCn-1 Yn Xn Fn=XnYnCn1+XnYnCn1+XnYnCn1+XnYnCn1=Xn(YnCn1)+Xn(YnCn1)=XnYnCn1Cn=XnYnCn1+XnYnCn1+XnYnCn1+XnYnCn1=(XnYn)C

10、n1+XnYn=(XnYn)Cn1XnYn第95页/共134页第九十六页，共134页。门电路组成的全加器及其传输门电路组成的全加器及其传输门电路组成的全加器及其传输门电路组成的全加器及其传输(chun(chun sh)sh)延迟延迟延迟延迟An Bn Cn-1 Fn 经化简之后，用门电路实现需要6级门才能得到全加和！减少(jinsho)传输延迟的级数，是加法器设计的主要矛盾！AnBnDD2 D3D4D5D6D5CnCn1FnAnBn.第96页/共134页第九十七页，共134页。实现实现实现实现(shxin)(shxin)方案方案方案方案1 1不化简，用全部最小项实现(shxin)，需要3级门。

11、Fn=XnYnCn1+XnYnCn1+XnYnCn1+XnYnCn1Cn=XnYnCn1+XnYnCn1+XnYnCn1+XnYnCn1XnYnCn1FnCn第97页/共134页第九十八页，共134页。实现实现实现实现(shxin)(shxin)方案方案方案方案2 2写Fn、Cn的表达式1111-+=nnnnnnnnnnnnCYXCYXCYXCYXF1111-+=nnnnnnnnnnnnCYXCYXCYXCYXFF11-+=nnnnnnnCYCXYXC11-+=nnnnnnnnCYCXYXCC经变换(binhun)后只要2级门。XnYnCn1FnCn第98页/共134页第九十九页，共134页。

12、实现实现实现实现(shxin)(shxin)方方方方案案案案3 31110100110010100111011101001110010100000CnFnCn-1 Yn Xn 分析(fnx)全加器真值表中Fn和Cn的关系,除输入为”000”和”111”两种情况以外,Fn和Cn状态相反.因此有下述表达式和电路.Fn=XnYnCn-1+XnCn+YnCn+Cn-1CnCn=XnYn+XnCn1+YnCn1XnYnFnCnCn1Cn要2级门;Fn要3级门第99页/共134页第一百页，共134页。实现实现实现实现(shxin)(shxin)方案方案方案方案4 4Fn=XnYnCn-1+XnCn+YnC

13、n+Cn-1CnCn=XnYn+XnCn1+YnCn1XnYnCn1FnCnCn要2级门;Fn要3级门=XnYnCn1+XnCn+YnCn+Cn1Cn=XnYn+XnCn1+YnCn1第100页/共134页第一百零一页，共134页。集成集成集成集成(j chn(j chn)全加器芯片全加器芯片全加器芯片全加器芯片7474183183【例】分析下面由全加器构成的组合电路(dinl)的逻辑功能1Xn2Xn1Yn2Yn1Cn2Cn1Cn-12Cn-11Fn2Fn+VCC地1781474183YA B CD ECn SnAn Bn Cn-Cn SnAn Bn Cn-Cn SnAn Bn Cn-简化(j

14、inhu)真值表：A B CDE状态Y1 1 1 10 0 002个11 1 1个10 01 10 0102个11个1逻辑功能：五人表决电路第101页/共134页第一百零二页，共134页。二、四位二、四位二、四位二、四位(s wi)(s wi)串行进串行进串行进串行进位加法器位加法器位加法器位加法器特点(tdin)：电路简单，连接方便，但运算速度慢。第102页/共134页第一百零三页，共134页。四位四位四位四位(s wi)(s wi)串行进位串行进位串行进位串行进位加法器加法器加法器加法器交替(jiot)使用方案3、方案4两种电路,减少延迟级数.C4延迟(ynch)级数:4级F4延迟级数:4

15、级+1级XnYnFnCnCn1XnYnCn1FnCn第103页/共134页第一百零四页，共134页。三、四位并行三、四位并行三、四位并行三、四位并行(bngxng)(bngxng)进位进位进位进位(超前进位超前进位超前进位超前进位)加法器加法器加法器加法器 串行进位的延迟级数与位数成正比.考虑设置(shzh)专用的进位形成电路同时产生各位的进位 Cn.进位输入是由专门的“进位门”综合所有低位的加数、被加数及最低位进位来提供.称”快速加法器”或”超前进位加法器”第104页/共134页第一百零五页，共134页。四位四位四位四位(s wi)(s wi)并行进位加并行进位加并行进位加并行进位加法器法器

16、法器法器C1、C2、C3、C4形成(xngchng)的条件:011111)(CYXYXC+=01122112222)()(CYXYXYXYXYX+=122222)(CYXYXC+=01122331122332233333)()()()(CYXYXYXYXYXYXYXYXYXC+=2233443344444)()(YXYXYXYXYXYXC011223344)()()(CYXYXYXYX+11224344)()(YXYXYXYX+=Gi=XiYi 叫产生进位函数Pi=Xi+Yi 叫传递进位函数C4=G4+P4G4+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0第105页/共134页第一百零

17、六页，共134页。四位四位四位四位(s wi)(s wi)并行进位并行进位并行进位并行进位加法器加法器加法器加法器按输入取反码(fn m),输出也取反码(fn m)的规则，得第106页/共134页第一百零七页，共134页。四位并行四位并行四位并行四位并行(bngxng)(bngxng)进进进进位加法器位加法器位加法器位加法器改写(gixi)为第107页/共134页第一百零八页，共134页。四位并行四位并行四位并行四位并行(bngxng)(bngxng)进位加法器进位加法器进位加法器进位加法器Cn延迟级数(j sh)与位数无关:都是2级;Fn都是3级C0F1F2F3F4C4X1Y1X2Y2X3Y

18、3X4Y4第108页/共134页第一百零九页，共134页。集成集成集成集成(j chn(j chn)四位并行进位加法器四位并行进位加法器四位并行进位加法器四位并行进位加法器7474283283X2Y2C4+VCC地1891674283F2F1X1Y1F3X3Y3F4X4Y4C0用四位加法电路(dinl)实现四位二进制数加、减法用四位(s wi)加法电路实现8421码到余三码的转换用四位加法电路实现余三码到8421码的转换X1X2X3X4Y1Y2Y3Y4F1 F2 F3 F4C0C474283第109页/共134页第一百一十页，共134页。【例例例例】利用74283及其它器件实现(shxin)8

19、421BCD 码的加法运算9876543210D 十进制数 相加的和 二进制数 相加的和和C4 F4 F3 F2 F1 C4 F4 F3 F2 F1 19181716151413121110D 十进制数 相加的和 二进制数 相加的和和C4 F4 F3 F2 F1 C4 F4 F3 F2 F1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0

20、 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 00000000000 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 000000000011111111110000001111第110页/共134页第一

21、百一十一页，共134页。方案方案方案方案(fng n)1(fng n)1：用：用：用：用7474283283和和和和74748585及或门及或门及或门及或门X4X3X2X1Y4Y3Y2Y1F4 F3 F2 F1C0C474283X4X3X2X1Y4Y3Y2Y1F4 F3 F2 F1C0C474283A4A3A2A1B4B3B2B1.“1”F4 F3 F2 F1 A3A1B3B1A2A0B2B0YABYA=B7485ABABA=B.“1”.“1”.+.C4+第111页/共134页第一百一十二页，共134页。方案方案方案方案(fng n)2(fng n)2：用：用：用：用7474283283和与非

22、门和与非门和与非门和与非门19181716151413121110D 十进制数 相加的和 二进制数 相加的和和C4 F4 F3 F2 F1 C4 F4 F3 F2 F1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 111111111100000

23、01111111111F2F1F4F30011011000110110C4=F4F3+F4F2C4=C4+C4=F4F3+F4F2+C4第112页/共134页第一百一十三页，共134页。方案方案方案方案(fng(fng n)2n)2C4=F4F3+F4F2+C4=F4F3F4F2C4X4X3X2X1Y4Y3Y2Y1F4 F3 F2 F1C0C474283A4A3A2A1B4B3B2B1X4X3X2X1Y4Y3Y2Y1F4 F3 F2 F1C0C474283F4 F3 F2 F1 C4.第113页/共134页第一百一十四页，共134页。四、四、四、四、1616位并行位并行位并行位并行(bngxn

24、g)(bngxng)进位加进位加进位加进位加法器法器法器法器用4位并行进位的思想可以展开到8位,16位,32位等,但用中规模器件是不能现实的,因为(yn wi)进位产生逻辑的与或表达式项数与加法器位数成正比,“组合爆炸”.一种可行的方式是”片内并行,片间串行”,用4片4位快速进位加法器组成16位加法器.此时,片内虽然是并行,但片间进位(jnwi)仍是串行逐片传递.产生C4,C8,C12,C16的延迟各是几级?Fn要几级?第114页/共134页第一百一十五页，共134页。1616位并行位并行位并行位并行(bngxng)(bngxng)进位加法器进位加法器进位加法器进位加法器用类似(li s)四位

25、快速加法器中C1、C2、C3、C4形成的原理，去形成片间快速进位C4、C8、C12、C16 C8=(G8+P8G7+P8P7G6+P8P7P6G5)+P8P7P6P5(G4+P4G3+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0)第115页/共134页第一百一十六页，共134页。1616位并行位并行位并行位并行(bngxng)(bngxng)进进进进位加法器位加法器位加法器位加法器第116页/共134页第一百一十七页，共134页。1616位快速位快速位快速位快速(kui s)(kui s)加法器的结加法器的结加法器的结加法器的结构图构图构图构图4位快速加法器的输出(shch)提供Pm、Gm 需2级延

26、迟.产生C4,C8,C12,C16的延迟各是几级?Fn要几级?第117页/共134页第一百一十八页，共134页。1616位并行位并行位并行位并行(bngxng)(bngxng)进进进进位加法器位加法器位加法器位加法器超前进位扩展器,使得(sh de)C4,C8,C12,C16同时产生!第118页/共134页第一百一十九页，共134页。五、算术五、算术五、算术五、算术(sunsh)(sunsh)运算逻辑单运算逻辑单运算逻辑单运算逻辑单元元元元(ALU)(ALU)nALU是CPU的核心,不仅完成(wn chng)算术运算,而且完成(wn chng)逻 n 辑运算.nALU是多种功能(gngnng)

27、集成在一起的器件,因此要有功能(gngnng)控n 制端.n4位ALU的核心是4位并行 加法器,通过控制加法器的 一些逻辑门或改变进位逻 辑门能够获得多种功能.操作数被操作数结果进位功能控制 4位ALU第119页/共134页第一百二十页，共134页。算术运算逻辑算术运算逻辑算术运算逻辑算术运算逻辑(lu j)(lu j)单单单单元元元元(ALU)(ALU)第120页/共134页第一百二十一页，共134页。(ALU)(ALU)功能分析功能分析功能分析功能分析+X1Y1C1F1C1NHC1NE1NH.C1NH=0E1NH=0110F1=C1N(X1+Y1)X1Y1=C1N X1Y1C1NH=1E1

28、NH=01001F1=1(X1+Y1)X1Y1=1 X1Y1=X1Y1C1NH=1E1NH=101F1=1X1Y1=X1Y1功能表 XnYn 1 1 XnYn 1 0 不 用 0 1 加 0 0 功 能C1NHE1NH第121页/共134页第一百二十二页，共134页。7474181181第122页/共134页第一百二十三页，共134页。7474181181功能表功能表功能表功能表第123页/共134页第一百二十四页，共134页。46 46 奇偶奇偶奇偶奇偶(q(q u)u)检测电路检测电路检测电路检测电路n“奇偶检测”是检测数据中包含奇数(j sh)个“1”，还是偶n 数个“1”。n采用奇偶检

29、测方法，去检查(jinch)数据传输和记录中是否n 有错。F=I0I1I2I3I4I5I6I7输入偶数个“1”时：F=0输入奇数个“1”时：F=1F 奇检测偶检测+第124页/共134页第一百二十五页，共134页。九位九位九位九位(ji(ji wi)wi)奇偶奇偶奇偶奇偶检验电路检验电路检验电路检验电路用“异或非”门构成(guchng)奇偶校验电路I0I1=I0I1I0I1I2I3I4I5I6I7I8EOE输入(shr)偶数个“1”时：奇输出O为“0”偶输出E为“1”输入奇数个“1”时：奇输出O为“1”偶输出E为“0”E为“使能”控制端第125页/共134页第一百二十六页，共134页。奇偶奇偶

30、奇偶奇偶(q(q u)u)检检检检验系统验系统验系统验系统I7I0I0I7I8 I0I0I7I8O O E E E I0I7E 奇偶(q u)检测发生器奇偶(q u)检测器奇偶码偶数个“1”“1”1 奇偶检测码偶数个“1”11第126页/共134页第一百二十七页，共134页。47 47 组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争(jngzhng)(jngzhng)与险象与险象与险象与险象 信号经不同路径到达会合点有先有后称为(chn wi)“竞争”。产生错误输出的现象称为(chn wi)“险象”(冒险)。正向(zhn xin)尖峰理想情况：YA A1负向尖

31、峰Y1Y1Y2Y2第127页/共134页第一百二十八页，共134页。一、险象一、险象一、险象一、险象(xi(xi nxing)nxing)的类的类的类的类型型型型1、0型险象(xinxing)在一瞬间输出出现(chxin)了一个不应该有的负脉冲，这个负脉冲就称0型险象。2、1型险象 在一瞬间输出出现了一个不应该有的正脉冲，这个正脉冲就称1型险象。二、险象的判别二、险象的判别1.代数法 若电路的输出逻辑函数表达式在某个条件下最后能出现A+A或AA的形式，说明该电路存在险象。A+A的形式为0型险象，AA的形式为1型险象。第128页/共134页第一百二十九页，共134页。【例例例例1 1】Y=AB+

32、AC当B=C=1时，Y=A+A0型险象【例2】Y=(A+B)(A+C)当B=C=0时，Y=AA1型险象注意(zh y)一个逻辑函数可能存在(cnzi)多个险象。【例3】Y=AB+AC+BC当B=1，C=0时，Y=A+A0型险象当A=0，C=1时，Y=B+B0型险象当A=1，B=0时，Y=C+C0型险象判别一个逻辑函数是否(sh fu)存在险象，一定要根据原函数表达式，而不能化简第129页/共134页第一百三十页，共134页。2 2、卡诺、卡诺、卡诺、卡诺(k(k nu)nu)图法图法图法图法111111BADC0011011000110110 相隔(xingg)，无险象11111BADC001

33、1011000110110 相交(xingjio)，无险象111111BADC0011011000110110 相切，有险象第130页/共134页第一百三十一页，共134页。三、消除险象三、消除险象三、消除险象三、消除险象(xi(xi nxing)nxing)的方法的方法的方法的方法1.代数(dish)法 在不影响逻辑关系的前提下，加入冗余项或乘以多余因子，使之不出现A+A或AA的形式。【例】Y=AB+AC+BC+AC+AB+BC冗余项2、卡诺(k nu)图法加多余的圈111111BADC0011011000110110第131页/共134页第一百三十二页，共134页。3 3、选通法选通法选通

34、法选通法 在产生竞争冒险门的输入(shr)端加一个选通与门，选通脉冲在电路稳定后再加上。4、加滤波(lb)电容 在产生竞争冒险(mo xin)门的输出端与地之间加一个电容。因为冒险(mo xin)脉冲都很窄，加电容后可消除冒险(mo xin)脉冲。在TTL电路中该电容通常为几十几百PF。如上图所示。ABYG1G2选通脉冲C滤波电容第132页/共134页第一百三十三页，共134页。48 48 集成化组合逻辑电路集成化组合逻辑电路集成化组合逻辑电路集成化组合逻辑电路(lu j din l)(lu j din l)的开关参数的开关参数的开关参数的开关参数自己(zj)学习第133页/共134页第一百三十四页，共134页。