1、 4.1 概述概述 4.2 组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计 4.3 编码器和译码器编码器和译码器 4.4 数据选择器与数据分配器数据选择器与数据分配器 4.5 加法器和数值比较器加法器和数值比较器 4.6 组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争-冒险现象冒险现象返回4.1概述概述数字逻辑电路数字逻辑电路,按逻辑功能分成两大类按逻辑功能分成两大类,一类叫组合逻辑电路一类叫组合逻辑电路,另一类另一类叫时序逻辑电路。叫时序逻辑电路。组合逻辑电路的特点组合逻辑电路的特点:在任一时刻在任一时刻,输出信号只取决于该时刻各输入信输出信号只取决于该时刻各输入信号的组合号的组合,而与该时刻前
2、的电路输入信号无关而与该时刻前的电路输入信号无关,这种电路称为组合逻辑这种电路称为组合逻辑电路。电路。组合逻辑电路的组成组合逻辑电路的组成:组合逻辑电路的示意图如组合逻辑电路的示意图如图图4-1 所示。它有所示。它有n 个输入端个输入端,用用X1,X2,Xn 表示表示;m 个输出端个输出端,用用Y1,Y2,Ym 表示。表示。该逻辑电路输出端的状态该逻辑电路输出端的状态,仅取决于此刻仅取决于此刻n 个输入端的状态个输入端的状态,输出与输输出与输入之间的关系可以用入之间的关系可以用m 个逻辑函数式来描述个逻辑函数式来描述:下一页返回4.1概述概述若组合电路只有一个输出量若组合电路只有一个输出量,则
3、此电路称为单输出组合逻辑电路则此电路称为单输出组合逻辑电路;若组若组合电路有多个输出量合电路有多个输出量,则称为多输出组合逻辑电路。则称为多输出组合逻辑电路。任何组合逻辑电路任何组合逻辑电路,不管是简单的还是复杂的不管是简单的还是复杂的,其电路结构均有如下特其电路结构均有如下特点点:由各种类型逻辑门电路组成由各种类型逻辑门电路组成;电路的输入和输出之间没有反馈途电路的输入和输出之间没有反馈途径径;电路中不含记忆单元。电路中不含记忆单元。可以看出可以看出,前几章所介绍的逻辑电路均属组合逻辑电路。在数字系统前几章所介绍的逻辑电路均属组合逻辑电路。在数字系统中中,很多逻辑电路部件很多逻辑电路部件,如
4、编码器、译码器、加法器、比较器、奇偶校如编码器、译码器、加法器、比较器、奇偶校验器等都属于组合逻辑电路。验器等都属于组合逻辑电路。上一页返回4.2组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计 4.2.1组合逻辑电路的分析方法组合逻辑电路的分析方法所谓组合逻辑电路的分析所谓组合逻辑电路的分析,就是对给定的组合逻辑电路就是对给定的组合逻辑电路,找出其输出与找出其输出与输入之间的逻辑关系输入之间的逻辑关系,或者描述其逻辑功能或者描述其逻辑功能,评价其电路。描述逻辑功评价其电路。描述逻辑功能的方法能的方法,则可以写出输出、输入的逻辑表达式则可以写出输出、输入的逻辑表达式,或者列出真值表或者或者列出
5、真值表或者用简洁明了的语言说明等。其分析步骤如下用简洁明了的语言说明等。其分析步骤如下:(1)根据逻辑电路图根据逻辑电路图,写出输出变量对应于输入变量的逻辑函数表达式。写出输出变量对应于输入变量的逻辑函数表达式。具体方法是具体方法是:由输入端级向后递推由输入端级向后递推,写出每个门输出对应于输入的逻辑写出每个门输出对应于输入的逻辑关系关系,最后得出输出信号对应于输入的逻辑关系式。最后得出输出信号对应于输入的逻辑关系式。(2)根据输出函数表达式列出真值表。根据输出函数表达式列出真值表。下一页返回4.2组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计(3)根据真值表或输出函数表达式根据真值表或输出
6、函数表达式,确定逻辑功能确定逻辑功能,评价电路。评价电路。上述分析步骤可用上述分析步骤可用图图4-2 流程表示。根据以上的分析步骤流程表示。根据以上的分析步骤,下面结合下面结合例子说明组合逻辑电路的分析方法。例子说明组合逻辑电路的分析方法。上一页 下一页返回4.2组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计例例4-1试分析试分析图图4-3 所示电路的逻辑功能。所示电路的逻辑功能。解解:图图4-3 所示为单输出组合逻辑电路所示为单输出组合逻辑电路,由三个异或非门构成。分析步由三个异或非门构成。分析步骤骤:(1)写出输出写出输出Y 逻辑表达式。逻辑表达式。上一页 下一页返回4.2组合逻辑电路的
7、分析和设计组合逻辑电路的分析和设计输出输出Y 的逻辑函数表达式的逻辑函数表达式:(2)列出真值表。列出真值表。将将A1、A2、A3、A4 各组取值代入函数式各组取值代入函数式,可得相应和中间输出可得相应和中间输出,然后然后由由Y1、Y2 推得最终推得最终Y 输出输出,列出如列出如表表4-1 所示真值表。所示真值表。上一页 下一页返回4.2组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计(3)说明电路的逻辑功能。说明电路的逻辑功能。仔细分析电路真值表仔细分析电路真值表,可发现可发现A1、A2、A3、A4 四个输入中有偶数个四个输入中有偶数个1(包括全包括全0)时时,电路输出电路输出Y 为为1,而
8、有奇数个而有奇数个1 时时,Y 为为0。因此。因此,这是一这是一个四输入的偶校验器。如果将图个四输入的偶校验器。如果将图4-3 中异或非门改为异或门中异或非门改为异或门,我们可我们可用同样的方法分析出该电路是一个奇校验器。用同样的方法分析出该电路是一个奇校验器。4.2.2组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路的设计方法组合逻辑电路设计是组合逻辑电路分析的逆过程组合逻辑电路设计是组合逻辑电路分析的逆过程,其目的是根据给出其目的是根据给出的实际逻辑问题的实际逻辑问题,经过逻辑抽象经过逻辑抽象,找出用最少的逻辑门实现给定逻辑功找出用最少的逻辑门实现给定逻辑功能的方案能的方案,并画出逻辑电路图。并画出逻辑
9、电路图。上一页 下一页返回4.2组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计其设计步骤如下其设计步骤如下:(1)根据给定的逻辑问题根据给定的逻辑问题,做出输入、输出变量规定做出输入、输出变量规定,建立真值表。逻建立真值表。逻辑要求的文字描述一般很难做到全面而确切辑要求的文字描述一般很难做到全面而确切,往往需要对题意反复分往往需要对题意反复分析析,进行逻辑抽象进行逻辑抽象,这是一个很重要的过程这是一个很重要的过程,是建立逻辑问题真值表的是建立逻辑问题真值表的基础。根据设计问题的因果关系基础。根据设计问题的因果关系,确定输入变量和输出变量确定输入变量和输出变量,同时规定同时规定变量状态的逻辑赋
10、值变量状态的逻辑赋值,真值表是描述逻辑部件的一种重要工具。任何真值表是描述逻辑部件的一种重要工具。任何逻辑问题逻辑问题,只要能列出真值表只要能列出真值表,正确与否将决定整个设计的成败。正确与否将决定整个设计的成败。(2)根据真值表写出逻辑表达式。根据真值表写出逻辑表达式。上一页 下一页返回4.2组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计(3)将逻辑函数化简或变换成适当形式。可以用代数法或卡诺图法将将逻辑函数化简或变换成适当形式。可以用代数法或卡诺图法将所得的函数化为最简与或表达式所得的函数化为最简与或表达式,对于一个逻辑电路对于一个逻辑电路,在设计时尽可能在设计时尽可能使用最少数量的逻辑
11、门使用最少数量的逻辑门,逻辑门变量数也应尽可能少逻辑门变量数也应尽可能少(即在逻辑表达式即在逻辑表达式中乘积项最少中乘积项最少,乘积项中的变量个数最少乘积项中的变量个数最少),还应根据题意变换成适当还应根据题意变换成适当形式的表达式。形式的表达式。(4)根据逻辑表达式画出逻辑电路图。上述设计步骤可用根据逻辑表达式画出逻辑电路图。上述设计步骤可用图图4-7 所示所示流程表示。流程表示。上一页 下一页返回4.2组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计1.单输出组合逻辑电路设计举例单输出组合逻辑电路设计举例例例4-4用与非门设计一个举重裁判表决电路。设举重比赛有三个裁用与非门设计一个举重裁判
12、表决电路。设举重比赛有三个裁判判,一个主裁判和两个副裁判。杠铃完全举上的裁决由每一个裁判按一个主裁判和两个副裁判。杠铃完全举上的裁决由每一个裁判按一下自己面前的按钮来确定。只有当两个或两个以上裁判判明成功一下自己面前的按钮来确定。只有当两个或两个以上裁判判明成功,并且其中有一个为主裁判时并且其中有一个为主裁判时,表明成功的灯才亮。表明成功的灯才亮。解解:设主裁判为变量设主裁判为变量A,副裁判分别为副裁判分别为B 和和C;表示成功与否的灯为表示成功与否的灯为Y。(1)根据逻辑要求列出真值根据逻辑要求列出真值表表4-4。(2)根据真值表根据真值表,写出输出逻辑表达式。写出输出逻辑表达式。上一页 下
13、一页返回4.2组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计(3)化简逻辑表达式并转换成适当形式。化简逻辑表达式并转换成适当形式。画出函数卡诺图如画出函数卡诺图如图图4-8 所示所示,化简得到最简与或表达式化简得到最简与或表达式,并将原最简并将原最简与或表达式两次求反与或表达式两次求反,利用反演律变换为与非利用反演律变换为与非-与非表达式与非表达式,即即(4)根据表达式根据表达式,画出逻辑电路图画出逻辑电路图,如如图图4-9 所示。所示。上一页 下一页返回4.2组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计2.多输出组合逻辑电路设计举例多输出组合逻辑电路设计举例例例4-7用门电路设计一个将
14、用门电路设计一个将8421BCD 码转换为余码转换为余3BCD 码的变换电码的变换电路。路。解解:(1)分析题意分析题意,列真值表。列真值表。该电路输入为该电路输入为8421BCD 码码,输出为余输出为余3BCD 码码,因此它是一个四输入、因此它是一个四输入、四输出的码制变换电路四输出的码制变换电路,其框图如其框图如图图4-15(a)所示。根据两种所示。根据两种BCD 码码的编码关系的编码关系,列出真值表列出真值表,如如表表4-7 所示。由于所示。由于8421BCD 码不会出现码不会出现10101111 这六种状态这六种状态,因此把它视为无关项。因此把它视为无关项。上一页 下一页返回4.2组合
15、逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计(2)选择器件选择器件,写出输出函数表达式。写出输出函数表达式。题目没有具体指定用哪一种门电路题目没有具体指定用哪一种门电路,因此可以从门电路的数量、种类、因此可以从门电路的数量、种类、速度等方面综合折中考虑速度等方面综合折中考虑,选择最佳方案。该电路的化简过程如选择最佳方案。该电路的化简过程如图图4-15(b)所示所示,首先得出最简与或式首先得出最简与或式,然后进行函数式变换。然后进行函数式变换。上一页 下一页返回4.2组合逻辑电路的分析和设计组合逻辑电路的分析和设计变换时一方面应尽量利用公共项以减少门的数量变换时一方面应尽量利用公共项以减少门的数
16、量,另一方面减少门的另一方面减少门的级数级数,以减少传输延迟时间以减少传输延迟时间,因而得到输出函数式为因而得到输出函数式为(3)画逻辑电路。画逻辑电路。该电路采用了三种门电路该电路采用了三种门电路,速度较快速度较快,其电路如其电路如图图4-16 所示。所示。上一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器 4.3.1编码器编码器1.编码器的概念编码器的概念在数字设备中在数字设备中,数据和信息是用数据和信息是用“0”和和“1”组成的二进制代码来表示组成的二进制代码来表示的的,将若干个将若干个“0”和和“1”按一定的规律编排在一起按一定的规律编排在一起,编成不同的代码编成不同的代码,并且赋予每个代码
17、以固定的含义并且赋予每个代码以固定的含义,这就叫编码。例如这就叫编码。例如,可用三位二进制可用三位二进制数组成的编码表示十进制数的数组成的编码表示十进制数的07,十进制数十进制数0 编成二进制数编成二进制数“000”,十进制数十进制数1 编成二进制数编成二进制数“001”,十进制数十进制数2 编成二进制数编成二进制数“010”,等等。等等。用来完成编码工作的电路通称为编码器。可见用来完成编码工作的电路通称为编码器。可见,编码器是将有特定意编码器是将有特定意义的输入数字信号或文字符号信号义的输入数字信号或文字符号信号,编成相应的若干位二进制代码形编成相应的若干位二进制代码形式输出的组合逻辑电路。
18、如式输出的组合逻辑电路。如BCD 码编码器是将码编码器是将09 十个数字转化为十个数字转化为四位四位BCD 码输出的组合电路。码输出的组合电路。下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器2.二二-十进制编码器十进制编码器1)二进制编码器二进制编码器将一般信号编为二进制代码的电路称为二进制编码器。一位二进制代将一般信号编为二进制代码的电路称为二进制编码器。一位二进制代码可以表示两个信号码可以表示两个信号,两位二进制代码有两位二进制代码有00、01、10、11 四种组合四种组合,可以代表四个信号。依次类推可以代表四个信号。依次类推,n 位二进制代码可表示位二进制代码可表示2n 个信号。个信号。上
19、一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器3.优先编码器优先编码器上述讨论的编码器上述讨论的编码器,是在任一时刻只允许一个信号输入有效是在任一时刻只允许一个信号输入有效,否则输出否则输出编码混乱。但是编码混乱。但是,在数字系统中在数字系统中,往往有几个输入信号同时出现往往有几个输入信号同时出现,这就这就要求编码器能识别输入信号的优先级别要求编码器能识别输入信号的优先级别,对其中高优先级的信号进行对其中高优先级的信号进行编码编码,完成这一功能的编码器称为优先编码器。也就是说完成这一功能的编码器称为优先编码器。也就是说,在同时存在在同时存在两个或两个以上输入信号时两个或两个以上输入信号时,
20、优先编码器只按优先级高的输入信号编优先编码器只按优先级高的输入信号编码码,优先级低的信号则不起作用。优先级低的信号则不起作用。74LS147 是一个十线是一个十线-四线四线8421BCD 码优先编码器。码优先编码器。图图4-23 所示为所示为74LS147 引脚符号引脚符号,该芯片是一个该芯片是一个16 脚集成块脚集成块,除电源除电源VCC(16)和和GND(8)外外,15 脚是空脚脚是空脚(NC),其余芯片的输入、输出脚均表示在符其余芯片的输入、输出脚均表示在符号图上。号图上。上一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器图图4-24 中中,小圆圈表示低电平有效小圆圈表示低电平有效,各
21、引出端功能如下各引出端功能如下:70 为状态信号输入端为状态信号输入端,低电平有效低电平有效,7 的优先级别最高的优先级别最高,0 的级别最的级别最低低;C、B、A 为代码为代码(反码反码)输出端输出端,C 为最高位。为最高位。E1 为使能为使能(允许允许)输入端输入端,低电平有效低电平有效;当当E1=0 时时,电路允许编码电路允许编码;当当E1=1 时时,电路禁止编码电路禁止编码,输出输出C、B、A 均为高电平均为高电平;E0 和和CS 为使能为使能输出端和优先标志输出端输出端和优先标志输出端,主要用于级连和扩展。主要用于级连和扩展。从表从表4-12 可以看出可以看出,当当E1=1 时时,表
22、示电路禁止编码表示电路禁止编码,即无论即无论70 中有中有无有效信号无有效信号,输出输出C、B、A 均为均为1,并且并且CS=E0=1。当。当E1=0 时时,表示表示电路允许编码电路允许编码,如果如果70 中有低电平中有低电平(有效信号有效信号)输入输入,则输出则输出C、B、A 是申请编码中级别最高的编码输出是申请编码中级别最高的编码输出(注意是反码注意是反码),并且并且CS=0,E0=1;且且CS=1,E0=0。上一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器从另一个角度理解从另一个角度理解E0 和和CS 的作用。当的作用。当E0=0,CS=1 时时,表示该电路表示该电路允许编码允许编码
23、,但无码可编但无码可编;当当E0=1,CS=0 时时,表示该电路允许编码表示该电路允许编码,并并且正在编码且正在编码;当当E0=CS=1 时时,表示该电路禁止编码表示该电路禁止编码,即无法编码。即无法编码。4.3.2译码器译码器译码器是将每一组输入代码译为一个特定输出信号译码器是将每一组输入代码译为一个特定输出信号,以表示代码愿意以表示代码愿意的组合逻辑电路。译码器种类很多的组合逻辑电路。译码器种类很多,但可归纳为二进制译码器、二但可归纳为二进制译码器、二-十十进制译码器和显示译码器。进制译码器和显示译码器。上一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器1.二进制译码器二进制译码器二进制
24、译码器的输入为二进制码二进制译码器的输入为二进制码,若输入有若输入有n 位位,数码组合有数码组合有2n 种种,可可译出译出2n 个不同输出信号。现以个不同输出信号。现以74LS138 三线三线-八线译码器为例来说明八线译码器为例来说明二进制译码器的逻辑电路构成、特点及应用。二进制译码器的逻辑电路构成、特点及应用。1)逻辑电路逻辑电路(1)逻辑电路的组成。逻辑电路的组成。74LS138 的内部逻辑电路如的内部逻辑电路如图图4-25 所示。所示。图图4-26(a)所示为所示为74LS138 引脚排列图引脚排列图,图图4-26(b)所示为逻辑功能图。从电路内部结所示为逻辑功能图。从电路内部结构看构看
25、,该电路由非门、与非门组成。其中该电路由非门、与非门组成。其中:A0、A1、A2 为输入信号为输入信号,为输出信号且译出的信号均是反码为输出信号且译出的信号均是反码,为使能控制端。为使能控制端。上一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器(2)逻辑电路的工作原理。逻辑电路的工作原理。输入缓冲级。输入缓冲级由六个非门组成输入缓冲级。输入缓冲级由六个非门组成,用来形成用来形成A0、A1、A2 的的互补信号互补信号,译码电路所需的原、反变量信号均由六个门提供译码电路所需的原、反变量信号均由六个门提供,其目的为其目的为减轻输入信号源的负载。减轻输入信号源的负载。使能控制端。使能控制端由一个与门
26、组成使能控制端。使能控制端由一个与门组成,由逻辑电路可知由逻辑电路可知 时时,均为均为1,即封锁了译码器的输出即封锁了译码器的输出,译译码器处于码器处于“禁止禁止”工作状态工作状态;当当EN=1 时时,译码器被选通译码器被选通,电路处于电路处于“工作工作”状态状态,输出信号输出信号 的状态由输入变量的状态由输入变量A0、A1、A2 决决定。定。上一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器输出逻辑表达式。当输出逻辑表达式。当EN=1 时时,译码器的输出逻辑表达式为译码器的输出逻辑表达式为真值表。根据输出逻辑表达式列出真值表真值表。根据输出逻辑表达式列出真值表,如如表表4-13 所示。所示
27、。上一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器2)74LS138 的应用的应用(1)用译码器实现组合逻辑函数。用译码器实现组合逻辑函数。由译码器的工作原理可知由译码器的工作原理可知,译码器可产生输入地址变量的全部最小项译码器可产生输入地址变量的全部最小项的非。例如一个的非。例如一个3-8 译码器译码器,若输入为若输入为A、B、C,则可产生则可产生8 个输出信个输出信号号:上一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器即即而任何一个组合逻辑函数都可以用最小项之和来表示而任何一个组合逻辑函数都可以用最小项之和来表示,所以可以用译所以可以用译码器来产生逻辑函数的全部最小项码器来产生逻辑
28、函数的全部最小项,再用或门将所有最小项相加再用或门将所有最小项相加,即可即可实现组合逻辑函数。实现组合逻辑函数。上一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器2.二二-十进制译码器十进制译码器8421BCD 码是最常用的二码是最常用的二-十进制码十进制码,它用二进制码它用二进制码00001001 来代来代表十进制数表十进制数09。因此。因此,这种译码器应有四个输入端这种译码器应有四个输入端,十个输出端。若十个输出端。若译码器结果为低电平有效译码器结果为低电平有效,则输入一组二进制码则输入一组二进制码,对应的一个输出端为对应的一个输出端为0,其余为其余为1,这样就表示翻译了二进制码所对应的
29、十进制数。这样就表示翻译了二进制码所对应的十进制数。3.显示译码器显示译码器8421BCD 译码器将译码结果用逻辑译码器将译码结果用逻辑0 来对应十进制的某一个数符来对应十进制的某一个数符,表表达有时很不直观。在数字系统中达有时很不直观。在数字系统中,要将数字量直观地显示出来要将数字量直观地显示出来,就必须就必须有数字显示电路。因此有数字显示电路。因此,数字显示电路是数字系统中不可缺少的部分。数字显示电路是数字系统中不可缺少的部分。数字显示电路通常由译码器、驱动器和显示器组成数字显示电路通常由译码器、驱动器和显示器组成,如如图图4-31所示。所示。上一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和
30、译码器1)数字显示器数字显示器能够用来直观显示数字、文字和符号的器件称为显示器。数字显示器能够用来直观显示数字、文字和符号的器件称为显示器。数字显示器件种类很多件种类很多,按发光材料不同可分为荧光管显示器、半导体发光二极按发光材料不同可分为荧光管显示器、半导体发光二极管显示器管显示器(LED)和液晶显示器和液晶显示器(LCD)等等;按显示方式不同按显示方式不同,可分为字形可分为字形重叠式、分段式和点阵式等。重叠式、分段式和点阵式等。目前使用较普遍的是分段式发光二极管显示器目前使用较普遍的是分段式发光二极管显示器,发光二极管是一种特发光二极管是一种特殊的二极管殊的二极管,加正电压加正电压(或负电
31、压或负电压)时导通并发光时导通并发光,所发的光有红、黄、所发的光有红、黄、绿等多种颜色。它有一定的工作电压和电流绿等多种颜色。它有一定的工作电压和电流,所以在实际使用中应注所以在实际使用中应注意按电流的额定值意按电流的额定值,串接适当限流电阻来实现。串接适当限流电阻来实现。上一页 下一页返回4.3编码器和译码器编码器和译码器2)译码译码/驱动器驱动器显示器需译码显示器需译码/驱动器配合才能很好地完成其显示功能。能与显示器驱动器配合才能很好地完成其显示功能。能与显示器配合的七段译码配合的七段译码/驱动器为驱动器为7448。该器件内部结构复杂。该器件内部结构复杂,在这儿仅介在这儿仅介绍其集成芯片引
32、脚图及功能真值表。了解了这些内容绍其集成芯片引脚图及功能真值表。了解了这些内容,我们就可以用我们就可以用它来构成显示电路。它来构成显示电路。7448 译码译码/驱动器的引脚图如驱动器的引脚图如图图4-33 所示。所示。图图4-33 中中A3、A2、A1、A0 是四位二进制数码输入信号是四位二进制数码输入信号;a、b、c、d、e、f、g 是七段译码输出信号是七段译码输出信号:是使能端是使能端,它们起它们起辅助控制作用辅助控制作用,从而增强了这个译码从而增强了这个译码/驱动器的功能。驱动器的功能。上一页返回4.4数据选择器与数据分配器数据选择器与数据分配器 4.4.1数据选择器数据选择器数据选择器
33、又称多路选择器数据选择器又称多路选择器(Multiplexer,简称简称MUX),其框图如其框图如图图4-36(a)所示所示,它有它有n 位地址输入、位地址输入、2n 位数据输入、位数据输入、1 位输出。每次在地位输出。每次在地址输入的控制下址输入的控制下,从多路输入数据中选择一路输出从多路输入数据中选择一路输出,其功能类似于一个其功能类似于一个单刀多掷开关单刀多掷开关,如图如图4-36(b)所示所示;完成这种功能的逻辑电路称为数据完成这种功能的逻辑电路称为数据选择器。可见数据选择器的功能是将多路数据输入信号选择器。可见数据选择器的功能是将多路数据输入信号,在地址输入在地址输入的控制下选择某一
34、路数据到输出端的电路。的控制下选择某一路数据到输出端的电路。下一页返回4.4数据选择器与数据分配器数据选择器与数据分配器常用的中规模集成电路数据选择器有常用的中规模集成电路数据选择器有:74LS157 4 选选1、74LS151 8 选选1、74LS153 双双4选选1 等。注等。注:双双4 选选1 是指在同一集成块内有两个是指在同一集成块内有两个4 选选1。图图4-37 所示为所示为4 选选1 数据选择器数据选择器,其中其中D0 D3 是数据输入端是数据输入端,A1、A0 是地址输入端是地址输入端;Y 是输出端是输出端;E 是使能端是使能端,低电平有效。当低电平有效。当E=1 时时,输出输出
35、Y=0,即即4 选选1 数据选择器不工作数据选择器不工作;当当E=0 时时,在地址输入在地址输入A1、A0 的控制下的控制下,从从D0 D3 中选择一路输出中选择一路输出,其功能表如其功能表如表表4-16 所示。所示。当当E=0 时时,4 选选1 数据选择器的输出表达式为数据选择器的输出表达式为上一页 下一页返回4.4数据选择器与数据分配器数据选择器与数据分配器图图4-38 所示为所示为74LS151 8 选选1 数据选择器数据选择器,表表4-17 所示为所示为74LS151 的功能表。的功能表。A2、A1、A0 为控制信号为控制信号,用以选择不同的通道用以选择不同的通道;D0 D7 为为数据
36、输入信号数据输入信号;为使能信号为使能信号,当当 =1时时,输出输出Y=0;当当 =0 时时,选选择器处于工作状态。按表择器处于工作状态。按表4-17 可写出数据选择器的逻辑表达式为可写出数据选择器的逻辑表达式为上一页 下一页返回4.4数据选择器与数据分配器数据选择器与数据分配器 4.4.2数据分配器数据分配器图图4-42 所示为数据分配器电路所示为数据分配器电路,它的作用和数据选择器恰好相反。由它的作用和数据选择器恰好相反。由图图4-42 可见可见,它只有一个数据输入端它只有一个数据输入端D,有四个输出端有四个输出端Y0、Y1、Y2、Y3,由地址输入的不同取值组合来控制输入数据由地址输入的不
37、同取值组合来控制输入数据D 从相应的某一输出端从相应的某一输出端Yi(i 取取0、1、2、3)输出。根据图输出。根据图4-42 可写出各输出端的逻辑表达式。可写出各输出端的逻辑表达式。上一页 下一页返回4.4数据选择器与数据分配器数据选择器与数据分配器图图4-43 所示电路是用所示电路是用74LS138 译码器作为数据分配器的电路译码器作为数据分配器的电路,A、B、C 作为选择数据输出的地址作为选择数据输出的地址,根据不同的组合根据不同的组合,它可以选择八个地址它可以选择八个地址,即可以在八个数据输出端分别输入数据。若地址输入即可以在八个数据输出端分别输入数据。若地址输入CBA=010,则则
38、输出端即可将数据输入端信号输出。输出端即可将数据输入端信号输出。如果数据选择器和数据分配器配合使用如果数据选择器和数据分配器配合使用,在数据通信过程中是非常有在数据通信过程中是非常有用的一种电路用的一种电路,例如能实现多位并行输入的数据转换成串行数据输出例如能实现多位并行输入的数据转换成串行数据输出,具有如图具有如图4-44(a)所示的双刀多掷开关的功能所示的双刀多掷开关的功能,图图4-44(b)所示为所示为16 选选1 的数据选择器的数据选择器74150 与十六路数据分配器与十六路数据分配器(用四线用四线-十六线译码器十六线译码器74154)通过总线相连通过总线相连,构成一个典型的总线串行数
39、据传送系统。构成一个典型的总线串行数据传送系统。上一页 下一页返回4.4数据选择器与数据分配器数据选择器与数据分配器当多路开关的选择输入与译码器的变量输入一致时当多路开关的选择输入与译码器的变量输入一致时,其输入通道的数其输入通道的数据据Di 被多路开关选通被多路开关选通,送上总线传送到译码器的使能端送上总线传送到译码器的使能端 然后被译然后被译码器分配到相应的输出通道上。究竟哪路数据通过总线传送并经过分码器分配到相应的输出通道上。究竟哪路数据通过总线传送并经过分配器送至对应的输出端配器送至对应的输出端,完全由地址输入变量决定。只要地址输入同完全由地址输入变量决定。只要地址输入同步控制步控制,
40、则相当于选择器与分配器对应的开关在相应位置上同时接通则相当于选择器与分配器对应的开关在相应位置上同时接通和断开。和断开。上一页返回4.5加法器和数值比较器加法器和数值比较器 4.5.1加法器加法器1.加法器的概念加法器的概念在计算机中经常要进行两个在计算机中经常要进行两个n 位二进制数相加位二进制数相加,如果被加数为如果被加数为A=An,An-1,An-2,A2,A1,加数加数B=Bn,Bn-1,Bn-2,B2,B1,则其运算过程则其运算过程可用下面的形式表示可用下面的形式表示:下一页返回4.5加法器和数值比较器加法器和数值比较器对其中第对其中第i 位的相加过程可概括为位的相加过程可概括为:第
41、第i 位的被加数位的被加数Ai 和加数和加数Bi 及相邻及相邻低位来的进位低位来的进位Ci-1 三者相加三者相加,得到本位的和数及向相邻高位得到本位的和数及向相邻高位(i+1)的进的进位位Ci。所以要设计出能实现两个。所以要设计出能实现两个N 位二进制数相加运算的运算器位二进制数相加运算的运算器,就就应先设计出能实现应先设计出能实现Ai、Bi、Ci-1 三个一位二进制数相加的电路三个一位二进制数相加的电路,这个这个电路称为全加器电路称为全加器(Full Adder);不考虑低位向相邻位的进位不考虑低位向相邻位的进位(Ci-1)的加的加法运算电路称为半加器法运算电路称为半加器(Half Adde
42、r)。2.一位半加器一位半加器设设Ai 和和Bi 是两个一位二进制数是两个一位二进制数,半加后得到的和为半加后得到的和为Si,向高位的进位向高位的进位为为Ci。根据半加器的含义。根据半加器的含义,可得如可得如表表4-18 所示的真值表。由真值表所示的真值表。由真值表4-18 可求得逻辑表达式可求得逻辑表达式:上一页 下一页返回4.5加法器和数值比较器加法器和数值比较器3.一位全加器一位全加器设设Ai 和和Bi 是两个一位二进制数是两个一位二进制数,半加后得到的和为半加后得到的和为Si,向高位的进位向高位的进位为为Ci。根据全加器的含义。根据全加器的含义,考虑低位向相邻位的进位考虑低位向相邻位的
43、进位(Ci-1),则可得到则可得到如如表表4-19 所示的真值表。所示的真值表。由真值表可求得逻辑表达式由真值表可求得逻辑表达式:上一页 下一页返回4.5加法器和数值比较器加法器和数值比较器对表达式进行化简、变换形式得对表达式进行化简、变换形式得由上述逻辑表达式画出相应全加器的逻辑电路由上述逻辑表达式画出相应全加器的逻辑电路,如如图图4-46(a)所示所示,全全加器逻辑符号如图加器逻辑符号如图4-46(b)、(c)所示。所示。上一页 下一页返回4.5加法器和数值比较器加法器和数值比较器4.多位全加器多位全加器在实际的日常生活中在实际的日常生活中,加法器一般是多位加法器加法器一般是多位加法器,若
44、要实现两个若要实现两个n 位二位二进制数的加法器进制数的加法器,则要用则要用n 位一位全加器做如位一位全加器做如图图4-47 所示的连接所示的连接,就就可完成此任务可完成此任务,其方法是将第一位的本位向高位的进位其方法是将第一位的本位向高位的进位Ci-1 与第二位与第二位的低位向本位的进位相连的低位向本位的进位相连Ci,以此类推以此类推,即可完成两个即可完成两个n位二进制数的位二进制数的加法器加法器,如图如图4-47 所示。所示。上一页 下一页返回4.5加法器和数值比较器加法器和数值比较器中规模集成电路中规模集成电路74LS83 是四位二进制全加器是四位二进制全加器,其引脚图如其引脚图如图图4
45、-48 所所示示,若在图中若在图中A4、B4,A3、B3,A2、B2,A1、B1 分别接上四位二进制被分别接上四位二进制被加数和加数加数和加数,并将向最低位全加器输入进位信号的引脚接地并将向最低位全加器输入进位信号的引脚接地,接上电源接上电源VCC 和地和地GND 以后以后,就可由就可由S4、S3、S2、S1 得到两个四位二进制数的得到两个四位二进制数的相加和相加和,第四位向高位的进位第四位向高位的进位C4。C1、C2、C3 是内部连接的进位信号是内部连接的进位信号,为了保证两个四位数相加的正确为了保证两个四位数相加的正确,C0 需接地需接地,整个芯片无它们的外引整个芯片无它们的外引脚。脚。上
46、一页 下一页返回4.5加法器和数值比较器加法器和数值比较器如果要进行两个八位二进制数如果要进行两个八位二进制数A=A8A7A6A5A4A3A2A1,B=B8B7B6B5B4B3B2B1 的相加运算的相加运算,可以用两片可以用两片74LS83 做如做如图图4-49 所所示的扩展连接示的扩展连接,高位片的高位片的C0 接低位片的接低位片的C4,低位片的低位片的C0 接地接地,接上电接上电源源VCC 及地及地GND 后后,我们可在我们可在C8、S8、S7、S6、S5、S4、S3、S2、S1 获得它们做相加运算后的最后结果。由此可见获得它们做相加运算后的最后结果。由此可见C0 端可作为扩展端。端可作为
47、扩展端。4.5.2数值比较器数值比较器1.数值比较器的概念数值比较器的概念数值比较器是一种将两个数值比较器是一种将两个n 位二进制数位二进制数A、B 进行并行比较进行并行比较,以判别其以判别其大小的逻辑电路。两个大小的逻辑电路。两个n 位二进制数比较的结果只可能有三种情况位二进制数比较的结果只可能有三种情况:AB,A=B,AB 输出端输出端;L2 为为A=B 输出端输出端;L3 为为AB,A=B,AB),(A=B),(AB 还是还是 AB)=“0”,(A=B)=“1”,(AB)=“0”应接相应电平。加串联输入端的作用是为了比较器能应接相应电平。加串联输入端的作用是为了比较器能“扩展扩展”。上一
48、页 下一页返回4.5加法器和数值比较器加法器和数值比较器4.主要应用主要应用如如图图4-53 所示所示,用两片用两片HC85 构成八位二进制数比较器电路图。比较构成八位二进制数比较器电路图。比较器的总输出由片器的总输出由片()的输出状态决定的输出状态决定,片片()的输出连到片的输出连到片()的串的串联输入端联输入端,当片当片()上高四位比较结果相同时上高四位比较结果相同时,总的输出由低位片总的输出由低位片()的输出状态决定。的输出状态决定。上一页返回4.6组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争-冒险现象冒险现象 4.6.1竞争竞争-冒险现象及其产生原因冒险现象及其产生原因1.竞争竞争-冒险现
49、象冒险现象前面所述的组合逻辑电路的分析与设计前面所述的组合逻辑电路的分析与设计,是在理想条件下进行的是在理想条件下进行的,忽略忽略了门电路对信号传输带来的时间延迟的影响。数字逻辑门的平均传输了门电路对信号传输带来的时间延迟的影响。数字逻辑门的平均传输延迟时间通常用延迟时间通常用tpd 表示表示,即当输入信号发生变化时即当输入信号发生变化时,门电路输出经门电路输出经tpd 时间后时间后,才能发生变化。这个过渡过程将导致信号波形变坏才能发生变化。这个过渡过程将导致信号波形变坏,因而可能因而可能在输出端产生干扰脉冲在输出端产生干扰脉冲(又称毛刺又称毛刺),影响电路的正常工作影响电路的正常工作,这种现
50、象被这种现象被称为竞争称为竞争-冒险。冒险。下一页返回4.6组合逻辑电路中的竞争组合逻辑电路中的竞争-冒险现象冒险现象2.产生竞争产生竞争-冒险现象的原因冒险现象的原因实际的组合电路因门电路存在延迟及传输波形畸变实际的组合电路因门电路存在延迟及传输波形畸变,会产生非正常的会产生非正常的干扰脉冲干扰脉冲(又称毛刺又称毛刺),它们有时会影响电路的正常工作。它们有时会影响电路的正常工作。如如图图4-54(a)所示电路所示电路,在理想情况下在理想情况下 但考虑门电路的延迟时间但考虑门电路的延迟时间,在图在图4-54(b)中中Y1 的波形产生了一个正的波形产生了一个正脉冲脉冲,这就说明电路产生了这就说明
