采用中大规模集成电路逻辑设计

采 用 SSI进 行 逻 辑 设 计 时 ， 逻 辑 设 计 和 元 件选 择 是 相 互 独 立 的 ， 设 计 追 求 的 目 标 是 最 小 化 ，即 尽 量 减 少 门 和 触 发 器 的 数 量 。采 用 MSI或 LSI进 行 逻 辑 设 计 时 ， 最 小 化 也不 再 是 追 求 的 目 标 ， 因 为 一 个 器 件 内 门 和 触 发 器的 数 量 是 确 定 的 。 这 种 设 计 方 法 的 关 键 是 以 MSI和 LSI器 件 的 功 能 为 基 础 ， 从 设 计 要 求 的 逻 辑 功能 描 述 出 发 ， 合 理 地 选 用 器 件 ， 充 分 利 用 器 件 本身 所 具 有 的 功 能 ， 减 少 SSI器 件 和 连 线 的 数 量 。 二 进 制 并 行 加 法 器 除 能 实 现 二 进 制 加 法 运算 外 ， 还 可 实 现 代 码 转 换 、 二 进 制 减 法 运 算 ，二 进 制 乘 法 运 算 ， 十 进 制 加 法 运 算 等 功 能 。6.1 iiiiii iiiii iiiiiiiiiiiii iiiiiiiiiiiiiiii BAGBAP CPCBA CBACBACBACBAS GCPCBACBACBACBAC 11 1111 11111 Ci-1 SiAiBi & Ci=1& 1=1 Pi Gi 11 iiiiiii CACBBAC iiiiii BAGBAP iiii GCPC 1 提 高 工 作 速 度 的 途 径 ： 设 法 减 小 进 位 信 号 的 传 递 时 间进 位 传 递 公 式 3231230123101233233 21201210122122 1011011011 0100 GGPGPPGPPPCPPPPGCPC GGPGPPCPPPGCPC GGPCPPGCPC GCPC BAGBAP BAGBAP iiiiii iiiiii P0G0C0 S3S2S1S0A0 B0 A1 B1 A2 B2 A3 B3全 加 器 全 加 器 全 加 器 全 加 器C-1 超 前 进 位 形 成 逻 辑P1G1C1 P2G2C2 P3G3C-1 C3 &11&1&1& C3 C -1 C0C1C2A 3B3 =111& 1& =1=1=1 A 1B1& 1&A2B2& 1& A0B0& 1& S3 S2 S2 S0 例 ： 用 四 位 二 进 制 并 行 加 法 器 设 计 一 个 将8421BCD码 转 换 成 余 3码 的 代 转 换 电 路 。余 3码 比 8421码 多 3A4 A3 A2 A1 B4 B3 B2 B1F4 F3 F2 F1余 3码FC4 C08421BCD码 0 0 1 1 “ 0”解 ： 例 ： 用 四 位 二 进 制 并 行 加 法 器 设 计 一 个四 位 二 进 制 并 行 加 法 /减 法 器 。解 ： 利 用 补 码 ， 将 减 法 变 为 加 法 F4 F3 F2 F1FC4 C0A4 A3 A2 A1 B4 B3 B2 B1S4 S3 S2 S1 1 1 1 1被 加 数 (被 减 数 ) 加 数 (减 数 )a4 a3 a2 a1 b4 b3 b2 b1功 能 选 择M和 (差 ) 例 ： 用 四 位 二 进 制 并 行 加 法 器 设 计 一 个 用 余 3码 表 示 的 一 位 十 进 制 数 加 法 器 。解 ： 余 3码 相 加 时 无 进 位 ， 结 果 要 减 3； 有 进位 ， 结 果 要 加 3。 减 3(0011)可 以 变 为 加13(1101)。 A4 A3 A2 A1 B4 B3 B2 B1F4 F3 F2 F1和 数 余 3码FC4 C0“ 1”A4 A3 A2 A1 B4 B3 B2 B1F4 F3 F2 F1FC4 C0被 加 数 余 3码 加 数 余 3码1 进 位 输 入III 例 ： 用 四 位 二 进 制 并 行 加 法 器 设 计 一 位8421BCD码 十 进 制 数 加 法 器 。解 ： 8421BCD码 相 加 时 有 进 位 或 出 现 冗 余 码时 ， 结 果 要 加 6调 整 。 A4 A3 A2 A1 B4 B3 B2 B1F4 F3 F2 F1和 数 8421BCD码FC4 C0“1” A4 A3 A2 A1 B4 B3 B2 B1F4 F3 F2 F1FC4 C0被 加 数 8421BCD码 加 数 8421BCD码 进 位 输 入III& & BABA BABA BABA )( )( )(函 数 表 达 式 BABABA BABABABA BABABABA )()( )()( )()( 6.2 函 数 表 达 式 BABAAABABA )()( 一 位 比 较 器 (A=B)AB & (AB)(AB)& 1 BABABABBBA )()( BABABA BABABA )()()( iiiiiiiiii BABABBAABA )()()( 3,2,1,0)( 3,2,1,0)( iBABA iBABA iiii iiii )()()( )()( )()( )()()()( )()()()()( 00112233 112233 223333 00112233 00112233 BABABABA BABABA BABABA BABABABABA BABABABABABA I IO )()()( )()( )()( )()()()( )()()()()( 00112233 112233 223333 00112233 00112233 BABABABA BABABA BABABA BABABABABA BABABABABABA I IO IO BABABABABABA )()()()()( 00112233 B0 B1 B2 B3 A0 A1 A2 A3(AB)I (A=B)I (AB)o B0 B1 B2 B3A0 A1 A2 A3(AB)I (A=B)I (AB)o0 1 0 A0 A1 A2 A3B0 B1 B2 B3 (AB)I (A=B)I (AB)o B0 B1 B2 B3B4 B5 B6 B7A4 A5 A6 A7A0 A1 A2 A3 (AB)I (A=B)I (AB)o B0 B1 B2 B3B20B21B22B23A0 A1 A2 A3A20A21A22A23I II VI 输 出输 入 010 A0 A1 A2 A3B0 B1 B2 B3 A40B4 (AB)I (A=B)I (AB)o B0 B1 B2 B3A0 A1 A2 A3输 出 输 入VII(AB)I (A=B)I (AB)o B0 B1 B2 B3A0 A1 A2 A3 II(AB)I (A=B)I (AB)o B0 B1 B2 B3A0 A1 A2 A3 III(AB)I (A=B)I (AB)o B0 B1 B2 B3A0 A1 A2 A3 IV(AB)I (A=B)I (AB)o B0 B1 B2 B3A0 A1 A2 A3 V(AB)I (A=B)I (AB)o B0 B1 B2 B3A0 A1 A2 A3B5 B6 B7 B8A5 A6 A7 A8 A90B9B10B11B12B13A10A11A12A13 A140 B14B15B16B17B18A15A16A17A18 A190 B19B20B21B22B23A20A21A22A23 译 码 器 的 功 能 是 对 具 有 特 定 含 义 的 输 入代 码 进 行 “ 翻 译 ” 或 “ 辨 认 ” ， 将 其 转 换 成相 应 的 输 出 信 号 。6.3 将 n个 输 入 变 量 变 换 成 2n个 输出 函 数 ， 且 每 个 输 出 函 数 对 应 于 n个 输 入 变 量的 一 个 最 小 项 。 注 ： 本 表 中 的 “ ”代 表 0或 1输 入S1 S2 S3 A2 A1 A0 输 出Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7111111110 000000001 00001111 00110011 01010101 0111111111 1011111111 1101111111 1110111111 1111011111 1111101111 1111110111 1111111011 0123 0122 0121 0120 AAAY AAAY AAAY AAAY 0127 0126 0125 0124 AAAY AAAY AAAY AAAY G0 G7G6G5G4G3G2G1GS S A0 A1 A2S1 3Y0Y 2Y1Y 7Y4Y 6Y5Y2S 3S A0 A1 A2 S3 S2 S1 Y7 Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0VCC1 8916 74LS138 10Y 12Y11Y 13Y 15Y14Y 16Y 17Y 20Y 22Y21Y 23Y 25Y24Y 26Y 27Y74LS138(1)A0 A1 A2 S1 3S2S0 1 2 3 4 5 6 7 74LS138(2)A0 A1 A2 S1 3S2S0 1 2 3 4 5 6 7D0 D1 D2 D31 将 4位 BCD码 的 10组 代 码翻 译 成 10个 十 进 制 数 码 。 输 入A3 A2 A1 A00000000011 0000111100 001100110 0 0001010101 0111111111 1011111111 1101111111 111011111 1 111101111 1 111110111 1 1111110111 1111111011 111111110 1 1111111110 11 1111 001111 110011 010101 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 111111 输 出Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9 01239 01238 01237 01236 01235 01234 01233 01232 01231 01230 AAAAY AAAAY AAAAY AAAAY AAAAY AAAAY AAAAY AAAAY AAAAY AAAAY 9Y5Y 6Y 7Y 8Y3Y0Y 2Y1Y A 3A2A0 4YA 1 例 ： 用 一 片 74LS138三 输 入 八 输 出 译 码 器 和 适当 的 与 非 门 实 现 全 减 器 的 功 能 。输 入Ai Bi Gi-1 输 出 Di Gi0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 0 01 11 10 11 00 00 01 1 742174211 =+=)C,B,A(D mmmmmmmmiiii 732173211 =+=)C,B,A(G mmmmmmmmiiii A2A1A0 Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7AiBiGi-1 S1 S2 S3 & DiGi“1” 例 ： 用 译 码 器 和 与 门 实 现 逻 辑 函 数F(A, B, C, D)=m(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14)解 ：F(A, B, C, D)= 1412108642 mmmmmmm DABCDCABDCBA DCBADBCADCBADCBA= Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A2 A1 A0 S3 S2 S1&Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7A2 A1 A0 S3 S2 S1B C D A1 F 完 成 对 多 路 数 据 的 选 择 ， 在 公 共 传 输 线上 实 现 多 路 数 据 的 分 时 传 送 。6.4 SAADAADAADAADQ 1)(1)(1)(1)(11 013012011010 SAADAADAADAADQ 2)(2)(2)(2)(22 013012011010 1Q2Q1& 1&1 1 11 111S1D01D11D21D3A1A 02S2D02D12D22D3 1Q 1D01D11D21D3 2Q2D02D12D22D3 1QA0A1 1D0 1D3 2Q1S 2D0 2D32S 1QA1A01D0 1D3 2Q1S 2D0 2D32S 1QA1A01D0 1D3 2Q1S 2D0 2D32S 1QA1A01D0 1D3 2Q1S 2D0 2D32S 1QA1A01D0 1D3 2Q1S 2D0 2D32S 1QA 1A01D0 1D3 2Q1S 2D0 2D32S A0A1A2A3 0a1a2a3a 4a5a6a7a 8a9a10a11a 12a13a14a15a 0b1b2b3b 4b5b6b7b 8b9b10b11b12b13b14b15b 例 1： 用 多 路 选 择 器 实 现 以 下 逻 辑 函 数 功 能 。F(A, B, C)=m(2, 3, 5, 6)解 ： 方 案 I： 采 用 八 路 数 据 选 择 器F(A, B, C)=A B C +A B C +A B C +A B C W A2A1A0 D0+ A2A1A0 D1 + A2A1A0 D2 + A2A1A0 D3 + A2A1A0 D4+ A2A1A0 D5 + A2A1A0 D6+ A2A1A0 D7 比 较 上 述 两 个 表 达 式 可 知 ： 要 使 W F， 只 需令 A2 A， A1 B， A0 C， 且 D0 D1 D4 D7 0 而 D2 D3 D5 D6 1即 可 。 所 以 ， 根 据 分 析 可 作出 用 八 路 选 择 器 实 现 给 定 函 数 的 逻 辑 电 路 图 。D 0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7A2A1A0ABC WF8选 1MUX0 0 1 1 0 1 1 0 方 案 II： 采 用 四 路 数 据 选 择 器四 路 选 择 器 具 有 两 个 选 择 控 制 变 量 ， 当用 来 实 现 三 变 量 函 数 功 能 时 ， 应 该 首 先 从 函数 的 三 个 变 量 中 任 选 两 个 作 为 选 择 控 制 变 量 ，然 后 再 确 定 选 择 器 的 数 据 输 入 。 假 定 选 A、 B与 选 择 控 制 A1、 A0相 连 ， 则 可 将 函 数 F的 表 达式 表 示 成 如 下 形 式 ： F(A, B, C)=A B C +A B C +A B C +A B C=A B 0 +A B (C + C) +A B C +A B C=A B 0 +A B 1 +A B C +A B C 显 然 ， 要 使 四 路 选 择 器 的 输 出 W与 函 数 F相 等 ， 只 需 D0 0, D1 1, D2 C, D3 C 。 由 此 ，可 作 出 用 四 路 选 择 器 实 现 给 定 函 数 功 能 的 逻 辑电 路 图 如 图 所 示 。A1A0AB WF4选 1MUXD 0 D1 D2 D30 1 C C 本 例 的 两 种 方 案 表 明 ： 用 具 有 n个 选 择 控 制变 量 的 选 择 器 实 现 n个 变 量 的 函 数 或 n+1个 变 量 的函 数 时 ， 不 需 要 任 何 辅 助 电 路 ， 可 由 选 择 器 直 接实 现 。 当 函 数 的 变 量 比 选 择 器 的 选 择 控 制 变 量 数多 于 两 个 以 上 时 ， 一 般 需 要 适 当 的 逻 辑 门 辅 助 实现 。 同 时 ， 在 确 定 各 数 据 输 入 时 ， 通 常 借 助 卡 诺图 。 例 2: 下 面 是 一 个 具 有 五 个 输 入 变 量 的 逻 辑 函 数 的 真 值表 ， 用 三 个 双 四 选 一 多 路 选 择 器 实 现 。 1QA0A1 1D0 1D3 2Q1S 2D0 2D32S 1QA 0A1 1D0 1D3 2Q1S 2D0 2D32S 1QA0A1 1D0 1D3 2Q1S 2D0 2D32S 0 00 0 011 1 1 EE EEEEEDC BA LE 00 1 0 1 EEE . F1(A,B,C,D)=m(0,1,5,7,10,13,15) F2(A,B,C,D)=m(8,10,12,13,15)作 F1 F2的 卡 诺 图 (以 A= A1 B= A0)逻 辑 函 数 .例 3 : 试 用 一 片 双 四 路 数 据 选 择 器 实 现 下 列 . . . 比 较 双 4路 数 据 选 择 器 的 功 能 表 和 输 出 表 达 式 : A1 A0 1W 2W 0 0 1D0 2D0 0 1 1D1 2D1 1 0 1D2 2D2 1 1 1D3 2D3 可 得 : . 计 数 器 可 分 为 同 步 计 数 器 和 异 步 计 数 器 。 如 果按 进 位 制 分 类 ， 则 可 分 为 二 进 制 计 数 器 、 十 进 制 计 数器 等 ； 按 功 能 来 分 类 ， 又 可 分 为 加 法 计 数 器 、 减 法计 数 器 和 加 /减 可 逆 计 数 器 等 。 典 型 的 中 规 模 集 成 电 路 计 数 器 （ 如 74LS193）是 四 位 二 进 制 可 逆 计 数 器 。 例 : 74LS193四 位 二 进 制 同 步 可 异 计 数 器 . . Cr : 清 0LD : 预 置 数 控 制QCC :进 位 输 出QCB :借 位 输 出D、 C、 B、 A :预 置 数 输 入CP U : 加 计 数 脉 冲 输 入CPD : 减 计 数 脉 冲 输 入 Cr LD D C B A CPU CPD QD QC QB QA 1 d d d d d d d 0 0 0 0 0 0 D C B A d d D C B A 0 1 d d d d 1 加 计 数 0 1 d d d d 1 减 计 数 QAT RS 1T RS 1T RS 1T RSQB QC QD& & & & & &1& & &1 & &1 & & 11 1 1CP U CPDCr LDA B C D & & 11QCB QCC 例 1 : 用 74LS193利 用 反 馈 归 零 法 构 成 十 进 制 加 法 计 数 器11 0000 0001 0010 0011 0100 1010 1001 1000 0111 0110 0101 例 2 : 用 74LS193利 用 预 置 数 法 构 成 模 12减 法 计 数 器11 0初 态 设 置 . 1111 1110 1101 1100 1011 1010100110000111011001010100 0011 例 3 : 利 用 两 片 74LS193构 成 模 147加 法 计 数 器 .当 Q 7 Q6 Q5 Q4Q3 Q2 Q1 Q0=10010011时 清 0.实 现 147加 法 计 数 . 例 4 : 利 用 两 片 74LS193构 成 模 147减 法 计 数 器 . 寄 存 器 是 数 字 系 统 中 用 于 存 放 数 据 或 运 算 结 果 的地 方 。 具 有 接 收 数 据 、 存 放 数 据 或 传 送 数 据 的 功 能 。还 应 有 左 、 右 移 位 ， 串 、 并 行 输 入 ， 串 、 并 行 输 出 以及 预 置 、 清 零 等 功 能 。 典 型 的 中 规 模 集 成 电 路 寄 存 器 （ 如 74LS194）是 四 位 双 向 移 位 寄 存 器 。 Q0、 Q1、 Q2、 Q3: 寄 存 器 状 态MA MB :工 作 方 式 选 择CP :工 作 脉 冲D0、 D1、 D2、 D3:并 行 数 据 输 入DR:右 移 串 行 数 据 输 入DL:左 移 串 行 数 据 输 入Cr : 清 0 Cr CP MB MA DR D0 D1 D2 D3 DL Q0 Q1 Q2 Q30 d d d d d d d d d1 0 d d d d d d d d1 1 1 d d0 d1 d2 d3 d1 0 1 1 d d d d d1 0 1 0 d d d d d1 1 0 d d d d d 11 1 0 d d d d d 01 d 0 0 d d d d d d 0 0 0 0保 持d0 d1 d2 d31 Q0 Q1 Q20 Q0 Q1 Q2Q1 Q2 Q3 1 Q1 Q2 Q3 0 保 持 例 : 用 74LS194构 成 模 4计 数 器 。1100 0110 0011 1001111/01 6.7(1) 掩 模 型 ROM 由 厂 家 根 据 用 户 要 求 对 芯 片 写 入 信 息 ,通 过 掩 模 工艺 在 规 定 的 位 置 制 作 晶 体 管 (此 位 为 “ 1 ”),不 作 晶 体管 (此 位 为 “ 0 ”).用 户 不 能 改 动 .(2) 可 编 程 ROM(PROM) 存 储 的 内 容 可 由 用 户 写 入 ,写 “ 0 ”时 ,烧 断 晶 体 管基 极 的 熔 丝 ,写 “ 1 ”时 保 留 熔 丝 .但 编 程 后 不 能 再 改 变 .(3) 可 多 次 编 程 ROM(EPROM) EPROM在 用 户 编 程 后 还 允 许 用 紫 外 光 擦 除 数 据 重新 编 程 .EPROM一 旦 编 程 后 ,在 使 用 时 只 能 读 出 信 息 而不 能 写 入 信 息 . 2n m(位 ) . W1为 “ 1 ”使 三 极 管 V0、 V2 、 V3导 通 而 V1截 止 .使 F0、 F2、 F3为 “ 1 ” ,F1输 出 为 “ 0 ”.从 逻 辑 电 路 的 角 度 出 发 ,字 线 和 位 线 之 间 构 成 逻 辑 “ 或 ”的 关 系 .故 :F0=W0+W1F1=W0F2=W0+W1 +W2 +W3F3=W1 +W2 +W3 .根 据 地 址 译 码 器 的 功 能 可 以 写 出 字 线 的 表 达 式 为 : . . 将 逻 辑 图 画 成 阵 列 图 : 0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1B3 B2 B1 B0 G3 G2 G1 G0000000001111111 1 011001100110011000111100001111000000111111110000 例 ： 用 ROM设 计一 个 实 现 四 位8421码 转 换 成Gray码 的 代 码 转换 电 路 。解 ： 选 择 244的ROM实 现 该 代码 转 换 电 路 。 B0B0 PLA和 ROM相 比 即 采 用 函 数 最 简 “ 与 或 ” 式 中 的“ 与 ” 项 来 构 成 “ 与 ” 阵 列 .这 样 与 阵 列 不 再 产 生 2n个 最 小 项 ,而 是 产 生 简 化 后 的 与 项 .这 样 ,一 个 存 储 单 元 就可 被 多 个 地 址 码 选 中 ,从 而 达 到 节 省 储 存 空 间 的 目 的 .例 1: 分 别 用 ROM和 PLA实 现 下 列 逻 辑 函 数 . F1(A,B,C)=m(2,5,6) F2(A,B,C)=m(4) F3(A,B,C)=m(2,4,5,6) . . 用 PLA实 现 时 ,先 将 函 数 式 化 简 .注 意 公 共 项 的 利 用 . . 触 发 器 组y1yrY1Yr .例 2 : 试 用 PLA和 触 发 器 设 计 一 个 6进 制 加 法 计 数 器 .000 010001 011101 100 . Q3 Q2 Q1 Q3n+1 Q2n+1 Q1n+1 Z 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 d d d d 1 1 1 d d d d . Q3n+1=Q1Q2 Q3+Q1Q3 Q2n+1=Q1Q2 Q3+ Q1Q2 J3 =Q1Q2 K3 =Q1 J2 =Q3Q1 K2 =Q1 . Q1n+1=Q1 Z=Q1Q2 Q3 J1 = K1 =1 . J3 =Q1Q2 K3 =Q1 J2 =Q3Q1 K2 =Q1 J1 = K1 =1Z=Q1Q2 Q3