第02章 逻辑代数与硬件描述语言基础

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VrilogHDL基础教学基本要求1、熟悉逻辑代数常用基本定律、恒等式和规则。3、熟悉硬件描述语言VrilogHDL2、掌握逻辑代数的变换和卡诺图化简法；2.1.1逻辑代数的基本定律和恒等式2.1逻辑代数2.1.3逻辑函数的变换及代数化简法2.1.2逻辑代数的基本规则2.1逻辑代数逻辑代数又称布尔代数。它是分析和设计现代数字逻辑电路不可缺少的数学工具。逻辑代数有一系列的定律、定理和规则，用于对数学表达式进行处理，以完成对逻辑电路的化简、变换、分析和设计。逻辑关系指的是事件产生的条件和结果之间的因果关系。在数字电路中往往是将事情的条件作为输入信号，而结果用输出信号表示。条件和结果的两种对立状态分别用逻辑“1”和“0”表示。图中看出，谐波次数越高，幅值分量越小，对原波形的贡献越小，所以在一定条件下可忽略高次谐波。　1、基本公式　　2.1.1　逻辑代数的基本定律和恒等式2、基本公式的证明列出等式、右边的函数值的真值表(真值表证明法)此处说明电压电流等为什麽用相量形式.2.1.2逻辑代数的基本规则代入规则 ：在包含变量A逻辑等式中，如果用另一个函数式代入式中所有A的位置，则等式仍然成立。这一规则称为代入规则。例：B(A+C)=BA+BC，用A+D代替A，得B[(A+D)+C]=B(A+D)+BC=BA+BD+BC代入规则可以扩展所有基本公式或定律的应用范围对于任意一个逻辑表达式L，若将其中所有的与）换成或+），或+）换成与）；原变量换为反变量，反变量换为原变量；将1换成0，0换成1；则得到的结果就是原函数的反函数。2.反演规则：解：按照反演规则，得等效电路由三个基本元件构成3.对偶规则：当某个逻辑恒等式成立时，则该恒等式两侧的对偶式也相等。这就是对偶规则。利用对偶规则，可从已知公式中得到更多的运算公式，例如，吸收律“或与”表达式“与非与非”表达式“与或非”表达式“或非－或非”表达式“与或”表达式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在若干个逻辑关系相同的与或表达式中，将其中包含的与项数最少，且每个与项中变量数最少的表达式称为最简与或表达式。2、逻辑函数的化简方法化简的主要方法：　　１．公式法代数法）　　２．图解法卡诺图法）代数化简法：运用逻辑代数的基本定律和恒等式进行化简的方法。并项法:吸收法：A+AB=A消去法：配项法：，要求：1）最简的与或逻辑函数表达式，并画出相应的逻辑图；2）仅用与非门画出最简表达式的逻辑图。解：) ) �EMBEDEquation.3���L�EMBEDEquation.3���BA1209050245.unknown1209050250.unknown解：≥1A≥1L�EMBEDEquation.3���≥1≥1B�EMBEDEquation.3���≥1≥1C1209050715.unknown1209050719.unknown2.2逻辑函数的卡诺图化简法2.2.2逻辑函数的最小项表达式2.2.1最小项的定义及性质2.2.4用卡诺图化简逻辑函数2.2.3用卡诺图表示逻辑函数1.逻辑代数与普通代数的公式易混淆，化简过程要求对所 有公式熟练掌握；2.代数法化简无一套完善的方法可循，它依赖于人的经验 和灵活性；3.用这种化简方法技巧强，较难掌握。特别是对代数化简 后得到的逻辑表达式是否是最简式判断有一定困难。 卡诺图法可以比较简便地得到最简的逻辑表达式。代数法化简在使用中遇到的困难：n个变量X1,X2,,Xn的最小项是n个因子的乘积，每个变量都以它的原变量或非变量的形式在乘积项中出现，且仅出现一次。一般n个变量的最小项应有2n个。1.最小项的意义2.2.1最小项的定义及其性质对于变量的任一组取值，全体最小项之和为1。对于任意一个最小项，只有一组变量取值使得它的值为1；对于变量的任一组取值，任意两个最小项的乘积为0；三个变量的所有最小项的真值表2、最小项的性质 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 13、最小项的编号三个变量的所有最小项的真值表m0m1m2m3m4m5m6m7最小项的表示：通常用mi表示最小项，m表示最小项,下标i为最小项号。 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1图中看出，谐波次数越高，幅值分量越小，对原波形的贡献越小，所以在一定条件下可忽略高次谐波。2.2.2逻辑函数的最小项表达式 为“与或”逻辑表达式； 在“与或”式中的每个乘积项都是最小项。=m7＋m6＋m3＋m5逻辑函数的最小项表达式：例2将化成最小项表达式a.去掉非号b.去括号2.2.3用卡诺图表示逻辑函数1、卡诺图的引出卡诺图：将n变量的全部最小项都用小方块表示，并使具有逻辑相邻的最小项在几何位置上也相邻地排列起来，这样,所得到的图形叫n变量的卡诺图。逻辑相邻的最小项：如果两个最小项只有一个变量互为反变量，那么，就称这两个最小项在逻辑上相邻。10100100011110三变量卡诺图四变量卡诺图两变量卡诺图2、卡诺图的特点:各小方格对应于各变量不同的组合，而且上下左右在几何上相邻的方格内只有一个因子有差别，这个重要特点成为卡诺图化简逻辑函数的主要依据。此处说明电压电流等为什麽用相量形式.3.已知逻辑函数画卡诺图当逻辑函数为最小项表达式时，在卡诺图中找出和表达式中最小项对应的小方格填上1，其余的小方格填上0有时也可用空格表示），就可以得到相应的卡诺图。任何逻辑函数都等于其卡诺图中为1的方格所对应的最小项之和。10110100CD00011110AB�1�1�1�1���1�0�0�0���0�0�1�1���1�0�1�1��L等效电路由三个基本元件构成例2画出下式的卡诺图2.填写卡诺图2.2.4用卡诺图化简逻辑函数1、化简的依据2、化简的步骤用卡诺图化简逻辑函数的步骤如下：(4)将所有包围圈对应的乘积项相加。(1)将逻辑函数写成最小项表达式(2)按最小项表达式填卡诺图，凡式中包含了的最小项，其对应方格填1，其余方格填0。(3)合并最小项，即将相邻的1方格圈成一组(包围圈)，每一组含2n个方格，对应每个包围圈写成一个新的乘积项。本书中包围圈用虚线框表示。画包围圈时应遵循的原则：例:用卡诺图法化简下列逻辑函数2）画包围圈合并最小项，得最简与或表达式解：(1)由L画出卡诺图BDLC1�0�0�1��0�1�1�0��0�1�1�0��1�0�0�1��DAB�EMBEDEquation.3���1209063615.unknown例:用卡诺图化简圈0圈1放大电路存在电抗元件，如电容、电感。因此输入信号的频率不同，电路的输出响应也不同。2.2.5含无关项的逻辑函数及其化简1、什么叫无关项：在真值表内对应于变量的某些取值下，函数的值可以是任意的，或者这些变量的取值根本不会出现，这些变量取值所对应的最小项称为无关项或任意项。在含有无关项逻辑函数的卡诺图化简中，它的值可以取0或取1，具体取什么值，可以根据使函数尽量得到简化而定。例:要求设计一个逻辑电路，能够判断一位十进制数是奇数还是偶数，当十进制数为奇数时，电路输出为1，当十进制数为偶数时，电路输出为0。解:(1)列出真值表(2)画出卡诺图(3)卡诺图化简0�1�1�0��0�1�1�0��×�×�×�×��0�1�×�×��BADCLD2.3.1Vrilog语言的基本语法规则2.3.2变量的数据类型2.3.3Vrilog程序的基本结构2.3.4逻辑功能的仿真与测试2.3硬件描述语言VrilogHDL基础硬件描述语言HDL(HardwarDscriptionLanguag)类似于高级程序设计语言.它是一种以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言,用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，复杂数字逻辑系统所的逻辑功能。HDL是高层次自动化设计的起点和基础.2.3硬件描述语言VrilogHDL基础 计算机对HDL的处理:逻辑综合是指从HDL描述的数字逻辑电路模型中导出电路基本元件列表以及元件之间的连接关系常称为门级网表）的过程。类似对高级程序语言设计进行编译产生目标代码的过程.产生门级元件及其连接关系的数据库，根据这个数据库可以制作出集成电路或印刷电路板PCB。逻辑仿真是指用计算机仿真软件对数字逻辑电路的结构和行为进行预测.仿真器对HDL描述进行解释，以文本形式或时序波形图形式给出电路的输出。在仿真期间如发现设计中存在错误，就再要对HDL描述进行及时的修改。2.3.1Vrilog语言的基本语法规则为对数字电路进行描述常称为建模），Vrilog语言规定了一套完整的语法结构。1．间隔符:Vrilog的间隔符主要起分隔文本的作用，可以使文本错落有致，便于阅读与修改。间隔符包括空格符\b）、TAB键\t）、换行符\n）及换页符。2．注释符:注释只是为了改善程序的可读性，在编译时不起作用。多行注释符(用于写多行注释):；单行注释符:以开始到行尾结束为注释文字。图中看出，谐波次数越高，幅值分量越小，对原波形的贡献越小，所以在一定条件下可忽略高次谐波。为了表示数字逻辑电路的逻辑状态，Vrilog语言规定了4种基本的逻辑值。标识符:给对象如模块名、电路的输入与输出端口、变量等）取名所用的字符串。以英文字母或下划线开始如，clk、countr8、nt、busA。关键词:是Vrilog语言本身规定的特殊字符串，用来定义语言的结构。例如，modul、ndmodul、input、output、wir、rg、and等都是关键词。关键词都是小写，关键词不能作为标识符使用。4．逻辑值集合3．标识符和关键词 0 逻辑0、逻辑假 1 逻辑1、逻辑真 x或X 不确定的值未知状态） z或Z 高阻态5．常量及其表示实数型常量Vrilog允许用参数定义语句定义一个标识符来代表一个常量，称为符号常量。定义的格式为：paramtr参数名1＝常量表达式1，参数名2＝常量表达式2，；如paramtrBIT=1,BYTE=8,PI=3.14;常量整数型例如：3’b101、5’o37、8’h3，8’b100100112.3.2变量的数据类型1线网类型:是指输出始终根据输入的变化而更新其值的变量,它一般指的是硬件电路中的各种物理连接.例:wirL;将上述电路的输出信号L声明为网络型变量wir[7:0]databus;声明一个8bit宽的网络型总线变量寄存器型变量对应的是具有状态保持作用的电路元件等,如触发器寄存器。寄存器型变量只能在initial或always内部被赋值。2、寄存器型4种寄存器类型的变量例：rgclock；定义一个1位寄存器变量rg[3:0]countr;定义一个4位寄存器变量 寄存器类型 功能说明 rg 常用的寄存器型变量 intgr 32位带符号的整数型变量 ral 64位带符号的实数型变量， tim 64位无符号的时间变量此处说明电压电流等为什麽用相量形式.2、每个模块先要进行端口的定义，并说明输入input)和输出output),然后对模块功能进行描述。2.3.3Vrilog程序的基本结构Vrilog使用大约100个预定义的关键词定义该语言的结构1、VrilogHDL程序由模块构成。每个模块的内容都是嵌在关键词modul和ndmodul两个语句之间。每个模块实现特定的功能。3、除了ndmodul语句外，每个语句后必须有分号。4、可以用和..对VrilogHDL程序的任何部分做注释。模块定义的一般语法结构如下：说明部分逻辑功能描述部分，其顺序是任意的modul模块名端口名1,端口名2,端口名3,）；端口类型说明(input,outout,inout)；参数定义(可选)；数据类型定义(wir,rg等)；实例化低层模块和基本门级元件；连续赋值语句assign）；过程块结构initial和always）行为描述语句；ndmodul等效电路由三个基本元件构成模块名数据类型说明例用结构描述方式建立门电路Vrlogr模型Gatlldscriptionofsimplcircuitmodulmux2to1(a,b,sl,out);inputa,b,sl;定义输入信号outputout;定义输出信号wirslnot,a1,b1;定义内部节点信号数据类型下面对电路的逻辑功能进行描述notU1(slnot,sl);andU2(a1,a,slnot);andU3(b1,b,sl);orU4(out,a1,b1);ndmodulslnot(U4outbaslU11U3b1a1U22.3.4逻辑功能的仿真与测试逻辑电路的设计块完成后，就要测试这个设计块描述的逻辑功能是否正确。为此必须在输入端口加入测试信号，而从其输出端口检测其结果是否正确，这一过程常称为搭建测试平台。根据仿真软件的不同，搭建测试平台的方法也不同。图2.3.3例2.3.1的仿真输出波形图中看出，谐波次数越高，幅值分量越小，对原波形的贡献越小，所以在一定条件下可忽略高次谐波。此处说明电压电流等为什麽用相量形式.等效电路由三个基本元件构成图中看出，谐波次数越高，幅值分量越小，对原波形的贡献越小，所以在一定条件下可忽略高次谐波。此处说明电压电流等为什麽用相量形式.等效电路由三个基本元件构成放大电路存在电抗元件，如电容、电感。因此输入信号的频率不同，电路的输出响应也不同。图中看出，谐波次数越高，幅值分量越小，对原波形的贡献越小，所以在一定条件下可忽略高次谐波。此处说明电压电流等为什麽用相量形式.等效电路由三个基本元件构成