数字逻辑电路课件6_2

VHDL描述逻辑门电路
2021/6/7
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（一）库和程序包
库（LIBRARY） 库是经编译后的数据的集合，它存放包 集合定义、实体定义、结构定义和配置 定义
库和程序包用来描述和保留元件、类型 说明函数、子程序等，以便在其它设计 中可以随时引用这些信息，提高设计效 率。
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（一）库和程序包
❖ ASIC矢量库。在VHDL语言中，为了进行门级仿真，各公司 可提供面向ASIC的逻辑门库。在该库中存放着与逻辑门一一对 应的实体。为了使用面向ASIC的库，对库进行说明是必要的。
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6
（一）库和程序包
❖WORK库。WORK库是现行作业库 。设计者所描述的 VHDL语 句 不 需 要 任 何 说 明 ， 将 都 存 放 在 WORK 库 中 。 WORK库对所有设计都是隐含可见的，因此在使用该库时 无需进行任何说明。
❖用户定义库。用户定义库简称用户库，是由用户自己创建 并定义的库。设计者可以把自己经常使用的非标准（一般是 自己开发的）包集合和实体等汇集成在一起定义成一个库， 作为对VHDL标准库的补充。用户定义库在使用时同样要首 先进行说明。
上述5类库中，除了STD库和WORK库之外的其它库均 为资源库。资源库是存放常规元件和标准模块的库，使用时 需预先说明。
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（二）VHDL的实体(Entity )
端口说明 描述端口的名称、模式和数据类型。
端口: 实体的每一个输入、输出信号称为 端口，对应于硬件电路图或芯片的一个 引脚。
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端口说明
ENTITY <实体名> IS PORT（端口名： 端口类别 信号类型； ┇ 端口名： 端口类别 信号类型 ）；

一、普通编码器
任何时刻只允许 输入一个编码信 号，否则输出将 发生混乱。
3位二进制（8线－3线）编码器 12
输入
输出
I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 Y2 Y1 Y0
10000000000
01000000001
00100000010
00010000011
00001000100
00000100101
9
3.交通信号灯的正常工作状态与故障状态
10
4.设计一个路灯控制电路，要求实现 的功能是：当总电源开关闭合时，安装 在三个不同地方的三个开关都能独立地 将灯打开或熄灭；当总电源开关断开时， 路灯不亮。
11
4.3 若干常用组合逻辑电路
4.3.1 编码器
编码：将一组信号按一定规律编码，每 一组代码都有确定的含义。 编码器：实现编码功能的逻辑电路。
29
30
4.3.3 数据选择器
在多路数据传送过程中， 能够根据需要将其中任意
输 入 数
一路挑选出来的电路，叫 据
做数据选择器，也称为多
路选择器或多路开关。
选择控制信号
31
采用CMOS传输门结构的数据选择器CC14539
32
33
双4选1数据选择器74LS153
34
用两个4选1数据选择器接成的8选1数据选择器
4.2.1 组合逻辑电路的分析方法 分析步骤：
1. 由逻辑图逐级写出各输出端的逻辑表达式 2. 化简（最简与或式）和变换各逻辑表达式 3. 列出真值表 4. 根据真值表和逻辑表达式对电路进行分析， 并确定电路的功能
3
4
5
4.2.2 组合逻辑电路的设计过程
设计步骤： 1.逻辑抽象:分析问题的因果关系，确

Cn+1 Dn
0
0
1
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
第3章 组合逻辑电路
AnBn
AnBn
An Bn
全 减
Dn
Cn 0
00 0
01 1
11 0
10 0
Cn 00 01 11 10 00 1 0 1
Cn
器
Cn+1 1 1
1
1
0
11 0 1 0
(a)
(b)
(c)
全减器框图及K图 (a) 框图; (b) Cn+1； (c) Dn
0 0 0
带编码器的MCU应用电路
3.3.2 译码器
第3章 组合逻辑电路
将二进制代码转换成不同的输出 信号的过程称为译码。常用的MSI译码器 为74HC138(3－8Line Decoder)。
② 根据输出函数表达式列出真值表。
③ 确定电路的逻辑功能。
第3章 组合逻辑电路
【例3-1】分析图所示电路，指出该电路 的逻辑功能。
Ai
＝1
＝1
Bi
Si
Ci
& ≥1
Ai Bi
∑
Si
1
Ci+1 Ci
Ci+1
(a)
(b)
解： ① 写出函数表达式。
第3章 组合逻辑电路
Si Ai Bi Ci Ci1 ( Ai Bi )Ci Ai Bi
第3章 组合逻辑电路
组合逻辑电路：任何时候的输 出仅仅取决于该时刻的输入，而与电路原 来的状态没有任何关系。输出状态随着输 入信号的改变而改变。

⑵对偶规则 如果两个函数式相等，则它们对应的对偶式也相等。 即 若 F1= F2 则F1′= F2′。 ⑶作用：使定理公式的证明减少一半。
湖南理工学院信息与通信工程学院电子信息教研室制作
2.1 逻辑代数
2.1.2 逻辑代数的基本规则
3. 对偶规则
⑴对偶式规则： “ · ”、 “ + ”互换； “0”、“1”互换；得到
常用的代数化简方法
例2.1.7 化简 L AD A D AB A C BD AB EF B EF 解： L AD A D AB A C BD AB EF B EF
A AB A C BD AB EF B EF
2 .逻辑代数与 硬件描述语言基础
2.1 逻辑代数 2.2 逻辑函数的卡诺图化简法 2.3 硬件描述语言Verilog HDL基础
湖南理工学院信息与通信工程学院电子信息教研室制作
教学要求 1、熟悉逻辑代数常用基本定律、恒等式和规则。 2、掌握逻辑代数的变换和卡诺图化简法； 3、了解硬件描述语言Verilog HDL
⑵作用：扩大基本公式的应用范围。
利用摩根定律
BC代替B
例如，根据反演律 A B A B
得： ABC A BC A B C
由此，摩根定律能推广到n个变量：
A1 • A2
•
A •
n
A1
A2

An
A1 A2 A n A1 A • 2 • A • n
2.1 逻辑代数
2.1.3 逻辑函数的代数法化简
1. 逻辑函数的最简与-或表达式
一个逻辑函数可以有多种不同的逻辑表达式，五种常用表达式为：
F(A、B、C) AB AC

数字逻辑 绪论
② 逻辑 Logic 它是由逻辑量、逻辑关系和逻辑运算所组成的集合。 研究的因果即输入量、输出量均为逻辑量； 通过逻辑运算，实现其逻辑关系，即逻辑代数； 逻辑分为许多类型，其中最简单的是二值逻辑运算， 也称二值布尔代数，又称开关代数。 如：真/假、开/关、高/低、有/无，1/0，等
?稳定性好?速度快?集成度高且成本低?设计容易功能灵活?可编程性数字逻辑绪论本课程本课程数字逻辑电路数字逻辑电路在在计算机硬件学科体系计算机硬件学科体系中的地位中的地位公共基础课英语物理计算机文化基础电路电工原理离散数学数理逻辑
数字逻辑电路
多媒体课件
电信学院“数字逻辑电路”课程组制 作
绪 论
一、关于课程：
（ 由 此 开 始 ）
计算机专业基础课
数字逻辑电路 模电 离散数学 电路 电工原理
… 数理逻辑… …
电信类基础课
电类专业基础课
高数 英语 物理 计算机文化基础 …
公共基础课
数字逻辑 绪论
逻辑分析方法、 计算机组成科学 为一体的专业课程，研究在 计算机体系结构、 数字系统 中部件级的分析和设计方法。
③数字逻辑系统 Digital Logical System 用数字量来传递信息，并进行逻辑加工及数字加 工的系统；由于这种逻辑加工（即完成一逻辑运算） 是建立在一套完整的逻辑理论（即逻辑代数）基础上， 这种科学的严密性保证了系统的准确性和可靠性，并 易于控制。 数字逻辑 绪论
④数字逻辑电路 digital Logical Circuit 讨论数字电路中输入信号与输出信号之间的逻辑关 系，运用数字逻辑的基本原理和基本方法，设计出实现 特定逻辑要求的逻辑器件（电路）。 ⑤ 数字逻辑电路（器件）比模拟器件相比较：

4. 各种表示方法间的相互转换
（1）逻辑函数式→真值表 举例：例1-6（P9） （2）逻辑函数式→逻辑图 举例：例1-7（P10） （3）逻辑图→逻辑函数式 方法：从输入到输出逐级求取。
举例：例1-8（P10）
（4）真值表→函数式
方法：将真值表中Y为 1 的输入变量相与，取 值为 1 用原变量表示，0 用反变量表示， 将这 些与项相加，就得到逻辑表达式。这样得到的 逻辑函数表达式是标准与－或逻辑式。
断开为0；灯为Y，灯亮为1，灭为0。
真值表
AB Y 00 0 01 1 10 1 11 1
由“或”运算的真值表可知
“或”运算法则为：
有1出
0＋0 = 0 1＋0 = 1
1
0＋1 = 1 1＋1 = 1
全0为
0
⒊ 表达式
逻辑代数中“或”逻辑关系用“或”运算 描述。“或”运算又称逻辑加，其运算符为 “＋”或“ ”。两变量的“或”运算可表示
0
卡诺图是一 种用图形描 述逻辑函数
的方法。
00 0 01 0 11 0
10 1
例：函数 F=AB + AC
ABC F
000 0
1 001 1 010 0
1 011 1
1 100 1
0
101 1 110 0
1 111 0
1.逻辑函数式
特点：
例：函数 F=AB + AC
（1）便于运算； （2）便于用逻辑图实现； （3）缺乏直观。
真值表
K
Y
0
1
1
0
由“非”运算的真值表可知 “非”运算法则为：
0 =1 1 =0
⒊ 表达式
“非”逻辑用“非”运算描述。“非”运 算又称求反运算，运算符为“－”或“¬”， “非”运算可表示为：

按预先设定的优先级别，只对其中优先权最高的一个编码。
2.编码器
（1） 普通二进制编码器
二进制编码器的结构框图
2n 个 输入
I0
Y0
I1 二进制Y1
编码器
I2n-1 Yn-1
n 位二进 制码输出
2.编码器
例： 4线─2线普通二进制编码器的设计
框图
出二
4
I0
Y1 进
I1
制
输 入
I2
Y0 码
I3
输
Y1 I 0 I1 I 2 I 3 I 0 I1 I 2 I 3 Y0 I0 I1 I 2 I 3 I0 I1 I 2 I 3
0110111
译码器的应用
例： 用译码器实现逻辑函数Y=AB+BC+AC。
+5V C B A
S1
Y0
S2
Y1
S3
Y2
74HC138 Y3
出
B
A
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
计
算
机
0
键
1
盘 编
1
码
0
电
路
3. 译码器
（1）通用二进制译码器 （2）显示译码器
译码器的概念与分类——编码的逆过程
译码：将二进制码翻译成代表某一特定含义的信号，即电路的 某种状态。译码器：具有译码功能的逻辑电路称为译码器。
二进制译码器 译码器的分类： 二—十进制译码器
（1）逻辑功能表 I0 I1 I2 I3 Y1 Y0 1 0 0 0 00 0 1 0 0 01 0 0 1 0 10 0 0 0 1 11

或逻辑真值表
A
0
0
1
1
光电工程学院电子系
B
0
1
0
1
逻辑符号
Y
0
1
1
1
A
B
≥1国家标准YA NhomakorabeaB
Y
国际标准
基本逻辑运算——非运算
逻辑 非 运算
表示只要条件具备了，结果就不会发生，否则结果一定
发生
R
逻辑非是一元运算
A
非 运算的表示方法
Y
ҧ
关系表达式： Y = ，Y=
NOT A
逻辑符号
非逻辑真值表
A
0
1
光电工程学院电子系
De.Morgan 定律
逻辑代数的定律和公式
三个规则
反演规则和对偶规则
光电工程学院电子系
课堂练习
1. 右图中的符号表示_____运算
A
=1
Y
B
2. 一个3输入的与非门，使其输出为0的输入变量组合
有
种
3. 逻辑变量的取值只有两种：“1”或“0”。这里的
“1”和“0”既可表示数量的大小，又可表示完全对立
= + ҧ + +
∗ = + +
= + ҧ +
∗ = +
由于 + + = +
所以
光电工程学院电子系
=
小结
常用的逻辑运算
与、或、非
与非、或非、与或非、同或、异或
真值表和逻辑符号
逻辑代数的公理
A∙ =A
基本逻辑运算——与运算

计
算
机
键
盘
编 码
按下S6， 输入1
电
路
按键
低有效
0 1 1 0
低有效
3. 译码器
（1）通用二进制译码器 （2）显示译码器
译码器的概念与分类——编码的逆过程
译码：将二进制码翻译成代表某一特定含义的信号，即电路的 某种状态。译码器：具有译码功能的逻辑电路称为译码器。
二进制译码器 译码器的分类： 二—十进制译码器
A
&
B
&
C
≥1
F
&
若要求仅用与非门构成电路,可用反演律变换。
F AB AC BC AB AC BC
AB ACBC
A
&
B
&
C &
“与非-与非”式
用与非门组成的三 人表决逻辑电路图
& F
例：设计一个同或电路
作业： P176：6.1.1（a）；6.1.3（2）。 P177：6.1.6；6.1.7；6.1.8。
ABC ABC ABC ABC
& L m3 m5 m6 m7
在译码器的输出端加一个与非门，即可实现给定的 组合逻辑函数.
3. 译码器
（2）显示译码器
脉冲信号
计数器
译码器
驱动器
KHz 显示器
复习：半导体数码管
七段
a b c d e f g
共阴极显示器
+
a b c d e f g
共阳极显示器
Y1 I 0 I1 I 2 I 3 I 0 I1 I 2 I 3
Y0 I0 I1 I 2 I 3 I0 I1 I 2 I 3

6.3 逻辑代数基础
6.3.1 基本逻辑运算
逻辑运算共有三种基本运算：与、或、非。 ⒈ 与逻辑和与运算
⑴ 逻辑关系 只有当决定某种结果的条件全部满足时， 这个结果才能产生。 B＝AB ⑵ 逻辑表达式: F＝A· ⑶ 运算规则: ① 0· 0＝ 0 ② 0· 1＝1· 0＝ 0 ③ 1· 1＝ 1 口诀：有0出0，全1出1。 ⑷ 逻辑电路符号 国标符号 与逻辑关系示意图
⑴ 逻辑关系 条件和结果总是相反。 ⑵ 逻辑表达式： F＝ A
⑶ 运算规则: ① A＝0，F＝1
② A＝1，F＝0 ⑷ 逻辑电路符号 非逻辑关系示意图
国标符号
常用符号
国际符号
⒋ 复合逻辑运算 复合逻辑运算次序规则：
① 有括号时，先括号内， 后括号外； ② 有非号时应先进行非 运算； ③ 同时有逻辑与和逻辑 或时，应先进行与运算。
⒉ 十六进制数
[N]16＝hi-1 hi－ 2 ＝ 进位规则：逢十六进一 ×16i-1 + ×16i-2 + … + h1 ×161 + h0 ×160
n h × 16 ∑n n=0
i -1
例如：AB H＝10×161+11×160＝160+11＝171 尾缀H表示数N是十六进制数
表6-1 十六进制数、二进制数和十进制数对应关系表
表6-2 十进制数与 8421 BCD码对应关系 十进制数 8421 BCD码 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001
⒉ 转换关系 ⑴ BCD码与十进制数相互转换 【例6-7】[010010010001]BCD＝[0100 1001 0001]BCD＝491 4 9 1 【例6-8】786＝[0111 1000 0110]BCD＝[011110000110]BCD 7 8 6 ⑵ BCD码与二进制数相互转换

第六节 布尔函数的实现
布尔函数和逻辑电路之间存在一一对应关系。布尔函数 表达式的基本运算是与、或、非。因而,任何布尔函数都可 以用与门、或门、非门所构成的逻辑电路来实现。但是,随 着半导体集成电路的产生和发展,实际的逻辑电路已不只是 用与门、或门、非门作为基本逻辑单元,而是用所谓复合门 作为基本逻辑门。其中常用的复合门电路有与非门、或非 门和与或非门等。
这是因为,与非门、或非门、与或非门中的任何一种门 都可实现与、或、非三种运算,构成任何复杂的逻辑电路 。并且,这些门还具有功率放大能力,可以解决信号在传输 过程中的衰减问题。因此,在掌握布尔函数化简的基础上, 进一步掌握用与非门、或非门、与或非门来实现布尔函 数的一般方法,对后面的组合网络的分析和设计具有重要 意义。
F = A⊙ B = AB + AB
其逻辑关系可用表2-11 所示的真值表来描述。
表2 - 11 同或运算真值表
从表2-11,可得到下列几个等式: 0⊙0 = 1 0⊙1 = 0 1⊙0 = 0 1⊙1 = 1
不难看出,同或函数和异或函数是互补的,即 A ⊕ B = A⊙ B A⊙ B = A ⊕ B
F = A ⊕ B = AB + AB 这种逻辑关系也可用表2-10 所示的真值表来描述。 从表2-10 所示的真值表,可得出下列几个等式:
0⊕ 0=0 0⊕1=1 1⊕ 0=1 1⊕1=0
上述逻辑关系可用异或门来实现,其逻辑符号如图2-25所示
表2 - 10 异或运算真值表
图2 - 25 异或门逻辑符号
F(A ,B,C,D)= (A + B)(C + D)= A + B + C + D 用或非门来实现该表达式,其逻辑电路如图2-22(b)所 示。

+VCC i B1 1V
1
3
R b1 4K
I IL
& Gn
T1
0.3V
可以算出：
VCC VB1 5 1 I IL 1(mA) Rb1 4
产品规定IIL＜1.6mA。
（2）输入高电平电流IIH——是指当门电路的输入端接高 电平时，流入输入端的电流。 有两种情况: ①寄生三极管效应：
+VCC Rc 2 i B1 1V R b1 4kΩ
1
1.6kΩ
3.6V A B C 0.3V
3
1.4V
1
3
T1 β iB1 0.7V
T2 2
3 1
Vo T3 2
Re 2 1kΩ
脉冲信号
从饱和状态到截止状态瞬间，T1饱和，集电极电流很大
（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给 负载电容充放电。
DA B C1Fra bibliotekPD
4
D5
L
1
T 2
D2 D 3
R1 4.7kΩ
+VCC （+ 5V ） Rb1
+VCC （+5V） R b1
A B C
N N N
P P P
P
N
1
3
A B C
T1
一、TTL与非门的基本结构
+V CC （+5V ） Rc 2 R b1 4kΩ
1
1.6kΩ Vc 2
1
Rc 4 130Ω
3
VL（V）
5V 0V
二极管与门和或门电路的缺点：
（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值
的情况。