第七章 组合逻辑电路设计

第七章组合逻辑电路设计第一页，共五十页，编辑于2023年，星期四定义：任一时刻的输出仅仅取决于当时的输入，与电路原来的状态无关，这样的数字电路叫做组合逻辑电路。常用组合逻辑电路有以下几种：

概述1、各种基本门电路（与门、或门、非门、异或门…）2、多选器（二选一、四选一、八选一、…)3、编码器4、译码器5、奇偶校验器6、三态门7、缓冲器第二页，共五十页，编辑于2023年，星期四用自下至上的设计方法设计一个三人表决器第一步，选择逻辑元、器件。我们选择与非门。第二步，进行电路设计。列真值表画卡诺图化简并写出逻辑函数表达式画逻辑电路图第三页，共五十页，编辑于2023年，星期四组合逻辑电路设计方法（补充）设计步骤：（1）建立描述逻辑问题的真值表①分析题目所给的条件②找出问题的条件与目的及因果关系③确定输入、输出变量④列出真值表（2）由真值表写出逻辑函数表达式；(如：用最小项积之和的形式）（3）对输出逻辑函数进行化简（4）画出逻辑电路图

第四页，共五十页，编辑于2023年，星期四基本的门电路包括有“与”门、“或”门、“非”门、“与非”门、“或非”门、“异或”门等等，它门是构成逻辑电路的基础。7.1简单门电路第五页，共五十页，编辑于2023年，星期四设计实例1：2输入“与非”门电路设计aby输入输出aby001011101110&第六页，共五十页，编辑于2023年，星期四设计方案1：LIBRARYieee;USEieee.std_logic_1164.all;ENTITYnand2_1IS PORT(a,b:INSTD_LOGIC; y:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYnand2_1;ARCHITECTUREnandOFnand2_1ISBEGINy<=aNANDb;ENDARCHITECTUREnand;此设计方案，描述很简洁，接近于2输入与非门的行为描述，易于阅读。NAND是逻辑运算符“与非”。第七页，共五十页，编辑于2023年，星期四LIBRARYieee;USEieee.std_logic_1164.all;USEieee.std_logic_unsigned.all;ENTITYnand2_2ISPORT(a,b :INSTD_LOGIC; y :OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYnand2_2;ARCHITECTUREnandOFnand2_2ISBEGINPROCESS(a,b)ISVARIABLEcomb:STD_LOGIC_VECTOR(1DOWNTO0);BEGINcomb:=a&b;CASEcombISWHEN"00"=>y<='1';WHEN"01"=>y<='1';WHEN"10"=>y<='1';WHEN"11"=>y<=‘0';WHENOTHER=>y<=‘X';ENDCASE;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREnand;

设计方案2：此设计方案，以2输入与非门的真值表为依据来编写的，罗列了2输入与非门的每种输入状态及其对应的输出结果。CASE语句从许多不同的语句的序列中选择其中之一执行。case表达式iswhen分支条件=>顺序处理语句；when分支条件=>顺序处理语句；when分支条件=>顺序处理语句；endcase；┇并置运算符“&”用于位的连接，构成了两位长度位矢量第八页，共五十页，编辑于2023年，星期四课堂练习请用VHDL设计一个三输入与非门。第九页，共五十页，编辑于2023年，星期四LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITYNAND3ISPORT(A,B,C:INSTD_LOGIC；Q:OUTSTD_LOGIC)；ENDENTITYtest1；ARCHITECTURENANDOFNAND3ISBEGINQ<=not（AandBandC）；ENDARCHITECTUREtest1；第十页，共五十页，编辑于2023年，星期四在数字系统中，译码器的功能是将一种数码变换成另一种数码。译码器的输出状态是其输入变量各种组合的结果。译码器的输出既可以用于驱动或控制系统其他部分，也可驱动显示器，实现数字、符号的显示。码器是一种组合电路，工作状态的改变无需依赖时序脉冲。译码器可分为数码译码和显示译码两大类。7.2译码器第十一页，共五十页，编辑于2023年，星期四3-8译码器设计3个二进制输入端A0、A1、A2,8个译码输出端Y0-Y7。对输入值进行译码，就可以确定哪个输出端为有效电平，从而达到译码目的。G1、G2A、G2B是3个选通输入端，只有在G1=1,G2A=0,G2B=0时，译码器正常译码，否则Y0-Y7均为高电平。第十二页，共五十页，编辑于2023年，星期四

输入输出G1

G2A

G2B

A2

A1

A0

Y0

Y1

Y2

Y3

Y4

Y5

Y6

Y7

×1××××11111111××1×××111111110×××××1111111110000001111111100001101111111000101101111110001111101111100100111101111001011111101110011011111101100111111111103线—8线译码器74138真值表

第十三页，共五十页，编辑于2023年，星期四

按数据流描述方式编写的3线—8线译码器74138LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYdecoder138ISPORT(G1,G2A,G2B:INSTD_LOGIC;A:INSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);Y:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0));ENDENTITYdecoder138;ARCHITECTUREdataflowOFdecoder138ISBEGINPROCESS(G1,G2A,G2B,A)ISBEGINIF(G1='1'ANDG2A='0'ANDG2B='0')THEN第十四页，共五十页，编辑于2023年，星期四

CASEAISWHEN"000"=>Y<="11111110";WHEN"001"=>Y<="11111101";WHEN"010"=>Y<="11111011";WHEN"011"=>Y<="11110111";WHEN"100"=>Y<="11101111";WHEN"101"=>Y<="11011111";WHEN"110"=>Y<="10111111";WHENOTHERS=>Y<="01111111";ENDCASE;ELSEY<="11111111";ENDIF;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREdataflow;case表达式iswhen分支条件=>顺序处理语句；when分支条件=>顺序处理语句；when分支条件=>顺序处理语句；endcase；┇第十五页，共五十页，编辑于2023年，星期四7.2编码器

用一组二进制代码按一定规则表示给定字母、数字、符号等信息的方法称为编码，能够实现这种编码功能的逻辑电路称为编码器。第十六页，共五十页，编辑于2023年，星期四输入输出I0

I1

I2

I3I4

I5I6I7

A2

A1

A0

10000000000010000000010010000001000010000011000010001000000010010100000010110000000011118线—3线编码器真值表

A2=I4+I5+I6+I7A1=I2+I3+I6+I7A0=I1+I3+I5+I7

逻辑表达式：第十七页，共五十页，编辑于2023年，星期四例：采用行为描述方式的8线—3线编码器VHDL源代码

（依据逻辑表达式）LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYcoder83_v1ISPORT(I0,I1,I2,I3,I4,I5,I6,I7:INSTD_LOGIC;A0,A1,A2:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYcoder83_v1;ARCHITECTUREbehaveOFcoder83_v1ISBEGINA2<=I4ORI5ORI6ORI7;A1<=I2ORI3ORI6ORI7;A0<=I1ORI3ORI5ORI7;ENDARCHITECTUREbehave;第十八页，共五十页，编辑于2023年，星期四例：采用数据流描述方式的8线—3线编码器VHDL源代码（依据真值表）LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYcoder83_v2ISPORT(I:INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);A:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0));ENDENTITYcoder83_v2;ARCHITECTUREdataflowOFcoder83_v2ISBEGINPROCESS(I)ISBEGIN第十九页，共五十页，编辑于2023年，星期四CASEIISWHEN"10000000"=>A<="111";WHEN"01000000"=>A<="110";WHEN"00100000"=>A<="101";WHEN"00010000"=>A<="100";WHEN"00001000"=>A<="011";WHEN"00000100"=>A<="010";WHEN"00000010"=>A<="001";WHENOTHERS=>A<="000";ENDCASE;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREdataflow;第二十页，共五十页，编辑于2023年，星期四优先编码器优先编码器常用于中断的优先控制。当其某一个输入有效时，就可以输出一个对应的3位二进制码。另外，当同时有几个输入有效时，将输出优先级最高的那个输入所对应的二进制码。第二十一页，共五十页，编辑于2023年，星期四低电平有效input（0）优先级最高，input(1)优先级次之，如此类推，input(7)优先级最低第二十二页，共五十页，编辑于2023年，星期四LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYpriorityencoderISPORT(input:INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);y:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0));ENDENTITYpriorityencoder;ARCHITECTURErtlOFpriorityencoderIS

BEGINPROCESS(input)ISBEGINIF(input(0)=‘0’)THENy<=“111”;ELSIF(input(1)=‘0’)THEN

y<=“110”;按行为数据流方式编写优先编码器的VHDL源代码如下：方法：利用if多选择语句自顶向下的优先特性input（0）优先级最高，input(1)优先级次之，如此类推，input(7)优先级最低第二十三页，共五十页，编辑于2023年，星期四

ELSIF(input(2)=‘0’)THEN

y<=“101”;

ELSIF(input(3)=‘0’)THEN

y<=“100”;

ELSIF(input(4)=‘0’)THEN

y<=“011”;

ELSIF(input(5)=‘0’)THEN

y<=“010”;

ELSIF(input(6)=‘0’)THEN

y<=“001”;ELSE

y<=“000”;ENDIF;ENDPROCESS;ENDARCHITECTURErtl;利用IF多选择语句，自顶向下的优先特性。第二十四页，共五十页，编辑于2023年，星期四注意：采用数据流编写优先编码器时，因为VHDL语言目前还不能描述任意项，即下面的语句形式是非法的：WHEN“0XXXXXXX”=>A<=“000”；因此不能用CASE语句来描述74148，而采用IF语句对74148进行了逻辑描述。第二十五页，共五十页，编辑于2023年，星期四7.3选择器在多路数据传送过程中，能够根据需要将其中任意一路选出来的电路，叫做数据选择器，也称多路选择器或多路开关。

第二十六页，共五十页，编辑于2023年，星期四8选1数据选择器设计YbD7D71110D6D60110D5D51010D4D40010D3D31100D2D20100D1D11000D0D0000010XXX1A0A1A2GY地址选择使能输出输入741518选1数据选择器真值表

第二十七页，共五十页，编辑于2023年，星期四参考74151的真值表，采用IF语句结构编写的VHDL源代码如下：LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYmux8ISPORT(A:INSTD_LOGIC_VECTOR(2DOWNTO0);D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7:INSTD_LOGIC;G:INSTD_LOGIC;Y:OUTSTD_LOGIC;YB:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYmux8;ARCHITECTUREdataflowOFmux8ISBEGINPROCESS(A,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,G)IS用IF语句设计8选1选择器第二十八页，共五十页，编辑于2023年，星期四BEGINIF(G='1')THENY<='0';YB<='1';ELSIF(G='0'ANDA="000")THENY<=D0;YB<=NOTD0;

ELSIF(G='0'ANDA="001")THENY<=D1;YB<=NOTD1; ELSIF(G='0'ANDA="010")THENY<=D2;YB<=NOTD2;

ELSIF(G='0'ANDA="011")THENY<=D3;YB<=NOTD3;用IF语句设计8选1选择器（续）多选择控制的IF语句格式：

IF

条件

THEN

顺序处理语句；

ELSIF

条件

THEN

顺序处理语句；

┄

ELSIF

条件

THEN

顺序处理语句；

ELSE

顺序处理语句；

END

IF;第二十九页，共五十页，编辑于2023年，星期四

ELSIF(G='0'ANDA="100")THENY<=D4;YB<=NOTD4;

ELSIF(G='0'ANDA="101")THENY<=D5;YB<=NOTD5;ELSIF(G='0'ANDA="110")THENY<=D6;YB<=NOTD6;ELSEY<=D7;YB<=NOTD7;ENDIF;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREdataflow;用IF语句设计8选1选择器（续）第三十页，共五十页，编辑于2023年，星期四参考74151的真值表，采用CASE语句结构编写的VHDL源代码如下LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITYmux8ISPORT(A2,A1,A0:INSTD_LOGIC;D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7:INSTD_LOGIC;G:INSTD_LOGIC;Y:OUTSTD_LOGIC;YB:OUTSTD_LOGIC);ENDENTITYmux8;ARCHITECTUREdataflowOFmux8ISSIGNALcomb:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINcomb<=G&A2&A1&A0;用CASE语句设计8选1选择器并置运算符“&”用于位的连接，构成了四位长度位矢量第三十一页，共五十页，编辑于2023年，星期四PROCESS(comb,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,G)ISBEGINCASEcombISWHEN"0000"=>Y<=D0;YB<=NOTD0;WHEN"0001"=>Y<=D1;YB<=NOTD1;

WHEN"0010"=>Y<=D2; YB<=NOTD2;WHEN"0011"=>Y<=D3; YB<=NOTD3; WHEN"0100"=>Y<=D4; YB<=NOTD4;WHEN"0101"=>Y<=D5; YB<=NOTD5;用CASE语句设计8选1选择器（续）Case语句使用注意：1）分支条件的值必须在表达式的取值范围内。2）两个分支条件不能重叠。3）CASE语句执行时必须选中，且只能选中一个分支条件。4）如果没有others分支条件存在，则分支条件必须覆盖表达式所有可能的值。std_logc,std_logic_vector数据类型要特别注意使用others分支条件。第三十二页，共五十页，编辑于2023年，星期四WHEN"0110"=>Y<=D6; YB<=NOTD6;WHEN"0111"=>Y<=D7; YB<=NOTD7;WHENOTHERS=>Y<='0'; YB<='1';ENDCASE;ENDPROCESS;ENDARCHITECTUREdataflow;用CASE语句设计8选1选择器（续）第三十三页，共五十页，编辑于2023年，星期四其中:A和B是两个相加的8位二进制数;Cin是低位进位位;S是A、B相加之和;Co是A、B相加之后的进位位。7.4加法器

加法器是数字电路中的基本运算单元，下例是直接利用VHDL运算符“+”实现加法运算的8位加法器源代码。第三十四页，共五十页，编辑于2023年，星期四输入输出CIABSCO0000000110010100110110010101011100111111全加器真值表第三十五页，共五十页，编辑于2023年，星期四LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYadder8ISPORT(A:INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);B:INSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0);Cin:INSTD_LOGIC;Co:OUTSTD_LOGIC;S:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(7DOWNTO0));ENDENTITYadder8;声明了IEEE库中的包集合STD_LOGIC_UNSIGNED，才能对STD_LOGIC_VECTOR类型数据进行加减运算把两位输入A,B分别定义成8位二进制数，输出S也定义成8位二进制数，低位进位和高位进位定义为1位逻辑位

带进位的8位加法器设计第三十六页，共五十页，编辑于2023年，星期四ARCHITECTUREbehaveOFadder8ISSIGNALSint:STD_LOGIC_VECTOR(8DOWNTO0);SIGNALAA,BB:STD_LOGIC_VECTOR(8DOWNTO0);BEGINAA<='0'&A(7DOWNTO0);BB<='0'&B(7DOWNTO0);Sint<=AA+BB+Cin;S(7DOWNTO0)<=Sint(7DOWNTO0);Co<=Sint(8);