硬件基础:组合逻辑电路

2024-01-25 00:20

本文主要是介绍硬件基础:组合逻辑电路,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

什么是组合逻辑电路

组合逻辑电路是由一些基本的逻辑门电路组成的,没有反馈,输出仅取决于输入

组合逻辑电路是数字逻辑电路中一种重要的电路类型,它是由多个逻辑门(例如与门、或门、非门等)组成的电路。组合逻辑电路根据输入信号的状态,在不需要时钟脉冲的情况下直接产生输出。

因此,组合逻辑电路可以看成纯粹的布尔运算器。

组合逻辑电路有以下特点:

(1)只由逻辑门和电线构成,没有存储器件;

(2)输出仅与输入有关,不存在任何时序关系;

(3)逻辑门的输出可以直接连接到其他门的输入端;

(4)不会产生任何形式的反馈,每个输出信号只由与之直接相连的输入决定。

常用组合逻辑电路包括:

(1)算术运算电路(加法器减法器等等)

(2)编码器(Encoder)

(3)译码器(Decoder)

(4)数据选择器(MUX)

(5)数据分配器

(6)数值比较器

(7)其它

组合逻辑电路设计一般步骤:

(1)由实际逻辑问题列出真值表;

(2)由真值表写出逻辑表达式;

(3)化简、变换输出逻辑表达式;

(4)画出逻辑图。

设计组合逻辑的目的:

(1)从电路中获得所需的输出;

(2)经济电路意味着以最少的费用构建电路;

(3)必须尽可能地降低电路的复杂性;

(4)使用最少数量的门,数字电路应设计为最小化整体电路延迟。

加法器

参考大神的文章:

专题2-8:加法器 - 知乎

简要摘录内容如下:

半加器和全加器是算术运算电路中的基本单元,它们是完成1位二进制数相加的一种组合逻辑电路。

半加器

如果只考虑了两个加数本身,而没有考虑低位进位的加法运算,称为半加。

实现半加运算的逻辑电路称为半加器。

两个1位二进制的半加运算可用下面所示的真值表表示。

注意,半加器虽然没有进位输入,可是有进位输出。也就是说,它的进位可以传递给后级电路。下面是一个由异或门与门组成的半加器,右边是半加器的电路符号。

对于算术运算来说,如果不考虑进位,显然是没法得到正确的结果的。

所以,将两个半加器结合,再加上一些其他的电路,就能组成一个全加器。

全加器

全加器能进行【被加数】、【加数】和【来自低位的进位】信号相加,并根据求和结果给出该位的【进位】信号

根据全加器的功能,可列出它的真值表:

其中A和 B分别是被加数及加数,Ci为低位进位数,S为本位和数(称为全加和)以及C0为向高位的进位数

下图是由两个半加器和一个或门构成的全加器

既能带进位相加,又能向上一级输出进位,这就和我们日常计算方式是类似的。

全加器是能得出正确求和结果的最小单位,能实现两个1位二进制数的求和。

但是仅实现两个1位二进制数的和还不够,现实中往往需要实现十几位甚至几十位的二进制运算。

串行进位加法器

若有多位数相加,则可采用【并行相加,串行进位的方式来完成。

将低位的进位输出信号接到高位的进位输入端,因此,任1位的加法运算必须在低1位的运算完成之后才能进行,这种进位方式称为串行进位

这种加法器的逻辑电路比较简单,但它的运算速度不高。为克服这一缺点,可以采用超前进位等方式。

超前进位加法器

由于串行进位加法器的速度受到进位信号的限制,人们又设计了一种多位数超前进位加法逻辑电路,使每位的进位只由被加数和加数决定,而与低位的进位无关

超前进位加法器大大提高了运算速度。但是,随着加法器位数的增加,超前进位逻辑电路越来越复杂。超前进位级联方式提高了电路的工作速度,但也增加了电路结构的复杂程度

具体参考大神的文章以及相关资料。

减法器

参考大神的文章:专题2-9:减法器 - 知乎

减法运算的原理是将减法运算转换成补码的加法运算进行的

如果加法器既能实现加法运算,又可实现减法运算,就可以简化数字系统结构。

具体实现过程参考大神文章和相关资料。

当然还有其他各种可以算术运算的电路,可查阅相关资料学习。

编码器

参考大神文章:专题2-2:编码器 - 知乎

用代码表示特定信号的过程叫编码;实现编码功能的逻辑电路叫编码器。编码器的输入是被编码的信号,输出是与输入信号对应的一组二进制代码。

啥意思?

以前不懂编码器,现在倒是能稍微想明白一些。

想一想,键盘上那么多字符,怎么用电路来识别呢?
一种简单粗暴的方法就是给每个符号一个IO口,看哪个IO口被触发了就能知道是哪个符号按下了,假如有100种符号,就用100个IO口即可实现功能。
怎么样,简单粗暴吧
虽然能实现,但这不就是在纯纯地浪费资源嘛。
在计算机中,二进制的一个大亮点就是0和1可以有各种组合,100个字符,只需要7位二进制数就能表示完,如果是200个符号,也只需要8位二进制来表示,这样,我们就可以将这200个符号分别对应一个8位的二进制数的一种排列组合,此时,我们用8个IO口就能表示这200个符号了。
资源占用从200个IO口瞬间降到了8个IO口。
这就是编码器的思想和意义所在。
我们常见的8-3编码器,就是可以将8种状态编码成3位二进制数,从而便于MCU识别和处理。

数字系统中存储或处理的信息,常常是用二进制码表示的

用一个二进制代码表示特定含义的信息称为编码。具有编码功能的逻辑电路称为编码器

下图所示为二进制编码器的结构图,它有n位二进制码输出,与 2^n个输入相对应。

编码器有普通编码器优先编码器之分。

优先编码器虽然允许多个输入信号同时有效,但是只会对优先级别最高的输入信号进行编码,其他优先级别低的就算输入有效,也会被忽略。

在实际应用中,经常会遇到两个以上的输入同时为有效信号的情况。因此,必须根据轻重缓急,事先规定好这些输入编码的先后次序,即优先级别【识别】这类请求信号的优先级别并进行【编码】的逻辑电路称为优先编码器。

更多细节内容查看大神文章或者查阅相关资料。

译码器

参考大神文章:专题2-3:译码器 - 知乎 

理解了编码器,译码器也相对容易理解。

译码器就是编码器的反向操作。

可以将某几位二进制数据“翻译”成对应的状态,比如计算机要将符号显示在显示屏上,就需要先对二进制数据进行识别,其对应的是哪个符号,然后在屏幕上显示相应的内容。我们常见的3-8译码器就是将3位二进制数转换成对应的8种状态中的某一种。

键盘到计算机是编码,计算机到显示器是译码。

译码器常用于计算机中对存储器单元地址的译码,即将每一个地址代码转换成一个有效信号,从而选中对应的单元。我们单片机的地址就需要通过译码器才能识别到是要访问那个单元。

其框图如下:

在使能输入端为有效电平时,对应每组输入代码,只有其中一个输出端为有效电平,其余输出端则为相反电平。输出信号可以是高电平有效,也可以是低电平有效。

译码器输出时只有一个输出端是有效电平,通过输出端有效电平的唯一性以识别不同的代码。

比如单片机驱动数码管通常就需要用到3-8显示译码器来控制位选和段选。

更多内容参考大神文章和相关资料。

数据选择器

参考大神文章:专题2-6:数据选择器 - 知乎

数据选择器(data selector) 根据给定的输入地址代码,从一组输入信号中选出指定的一个送至输出端的组合逻辑电路。有时也把它叫做多路选择器或多路调制器(multiplexer)。

数据选择器在单片机中很常见,比如时钟选择哪个分频系数,比如ADC选取哪个通道来采集等等,都是从多个选项中选择其中一个输出,其实就是一个信号传输的单刀多掷开关,跟哪个选项连接就选中了哪个通道输入。

数据选择是指经过选择,把多路数据中的某一路数据传送到公共数据线上,实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器

它的作用相当于多个输入的单刀多掷开关,其示意图如下所示。

常用的数据选择器有2选1数据选择器、4 选1数据选择器、8 选1数据选择器、16 选1数据选择器等。还有一些数据选择器具有三态输出功能,除了正常的0或1输出之外,当使能输入端为无效信号时,输出为高阻状态。

更多内容参考大神文章或者相关资料。

数据分配器

参考大神文章:专题2-5:数据分配器 - 知乎

能够将1个输入数据,根据需要传送到m个输出端的任何一个输出端的电路,叫做数据分配器,又称为多路分配器,其逻辑功能正好与数据选择器相反。

它的作用相当于多个输出的单刀多掷开关

更多内容参考大神文章或者相关资料。

数值比较器

参考大神文章:专题2-7:数值比较器 - 知乎

在数字电路中,经常需要对两个位数相同的二进制数进行比较,以判断它们的相对大小或者是否相等,用来实现这一功能的逻辑电路就成为数值比较器。

在数字系统中,特别是在计算机中常需要对两个数的大小进行比较

数值比较器就是对两个二进制数A、B进行比较的逻辑电路,比较结果有 A>B 、 A<B 以及 A=B 三种情况。

数值比较器基础的有1位、2位、4位数值比较器,更多的可以级联实现。

1位数值比较器是多位比较器的基础

当 A和 B 都是1位二进制数时,它们只能取0或1两种值,由此可写出1位数值比较器的真值表,如下表所示。

逻辑图

更多内容参考大神文章或者相关资料。

可编程逻辑器件

可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)

PLD是通过程序控制门电路实现各种逻辑功能,等于是直接驱动硬件来实现各种运算,而不是通过软件然后让硬件的通用单元来执行。

还有个叫PLC,是可编程逻辑控制器,PLD可以看做是PLC的基本组件,PLC集成化更高。

理论上,各种逻辑需求都能通过逻辑器件搭出来。

当下高密度的是主流,又有CPLD和FPGA两种。

CPLD,全英文名称为Complex Programming logic device,中文为复杂可编程逻辑器件。

FPGA,全称为Field-ProgrammableGateArray,即现场可编程门阵列。

全球顶级的两家PLD厂商:

Altera公司 ➢ 九十年代以后发展很快,是三大PLD供应商之一;

Xilinx(赛灵思)公司 ➢ FPGA的发明者( Xilinx 公司于1985年首次推出FPGA ),老牌PLD公司,三大PLD供应商之一;

其他几家

具体参考:主要的PLD厂商

PLD结构框图

和计算机的处理思路都是相通的,无非就是数据输入,然后处理,然后输出和存储。

内部连接示意:

中间的可编程连接就是控制的精髓所在。

PLA

此小节了解即可。

理论上所有的逻辑都可以由与门、或门的组合电路实现。

竞争冒险现象

其实就是两路信号向相反方向转换时,由于传输时延可能有差别,导致中间某个时刻可能出现不想要的电平状态。

二者之间的关系

产生原因

这篇关于硬件基础:组合逻辑电路的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/641523

相关文章

hdu4869(逆元+求组合数)

//输入n,m,n表示翻牌的次数,m表示牌的数目,求经过n次操作后共有几种状态#include<iostream>#include<algorithm>#include<cstring>#include<stack>#include<queue>#include<set>#include<map>#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#includ

零基础学习Redis(10) -- zset类型命令使用

zset是有序集合,内部除了存储元素外,还会存储一个score,存储在zset中的元素会按照score的大小升序排列,不同元素的score可以重复,score相同的元素会按照元素的字典序排列。 1. zset常用命令 1.1 zadd  zadd key [NX | XX] [GT | LT]   [CH] [INCR] score member [score member ...]

【Linux 从基础到进阶】Ansible自动化运维工具使用

Ansible自动化运维工具使用 Ansible 是一款开源的自动化运维工具,采用无代理架构(agentless),基于 SSH 连接进行管理,具有简单易用、灵活强大、可扩展性高等特点。它广泛用于服务器管理、应用部署、配置管理等任务。本文将介绍 Ansible 的安装、基本使用方法及一些实际运维场景中的应用,旨在帮助运维人员快速上手并熟练运用 Ansible。 1. Ansible的核心概念

【STM32】SPI通信-软件与硬件读写SPI

SPI通信-软件与硬件读写SPI 软件SPI一、SPI通信协议1、SPI通信2、硬件电路3、移位示意图4、SPI时序基本单元(1)开始通信和结束通信(2)模式0---用的最多(3)模式1(4)模式2(5)模式3 5、SPI时序(1)写使能(2)指定地址写(3)指定地址读 二、W25Q64模块介绍1、W25Q64简介2、硬件电路3、W25Q64框图4、Flash操作注意事项软件SPI读写W2

AI基础 L9 Local Search II 局部搜索

Local Beam search 对于当前的所有k个状态,生成它们的所有可能后继状态。 检查生成的后继状态中是否有任何状态是解决方案。 如果所有后继状态都不是解决方案,则从所有后继状态中选择k个最佳状态。 当达到预设的迭代次数或满足某个终止条件时,算法停止。 — Choose k successors randomly, biased towards good ones — Close

音视频入门基础:WAV专题(10)——FFmpeg源码中计算WAV音频文件每个packet的pts、dts的实现

一、引言 从文章《音视频入门基础:WAV专题(6)——通过FFprobe显示WAV音频文件每个数据包的信息》中我们可以知道,通过FFprobe命令可以打印WAV音频文件每个packet(也称为数据包或多媒体包)的信息,这些信息包含该packet的pts、dts: 打印出来的“pts”实际是AVPacket结构体中的成员变量pts,是以AVStream->time_base为单位的显

C 语言基础之数组

文章目录 什么是数组数组变量的声明多维数组 什么是数组 数组,顾名思义,就是一组数。 假如班上有 30 个同学,让你编程统计每个人的分数,求最高分、最低分、平均分等。如果不知道数组,你只能这样写代码: int ZhangSan_score = 95;int LiSi_score = 90;......int LiuDong_score = 100;int Zhou

c++基础版

c++基础版 Windows环境搭建第一个C++程序c++程序运行原理注释常亮字面常亮符号常亮 变量数据类型整型实型常量类型确定char类型字符串布尔类型 控制台输入随机数产生枚举定义数组数组便利 指针基础野指针空指针指针运算动态内存分配 结构体结构体默认值结构体数组结构体指针结构体指针数组函数无返回值函数和void类型地址传递函数传递数组 引用函数引用传参返回指针的正确写法函数返回数组

【QT】基础入门学习

文章目录 浅析Qt应用程序的主函数使用qDebug()函数常用快捷键Qt 编码风格信号槽连接模型实现方案 信号和槽的工作机制Qt对象树机制 浅析Qt应用程序的主函数 #include "mywindow.h"#include <QApplication>// 程序的入口int main(int argc, char *argv[]){// argc是命令行参数个数,argv是

【MRI基础】TR 和 TE 时间概念

重复时间 (TR) 磁共振成像 (MRI) 中的 TR(重复时间,repetition time)是施加于同一切片的连续脉冲序列之间的时间间隔。具体而言,TR 是施加一个 RF(射频)脉冲与施加下一个 RF 脉冲之间的持续时间。TR 以毫秒 (ms) 为单位,主要控制后续脉冲之前的纵向弛豫程度(T1 弛豫),使其成为显著影响 MRI 中的图像对比度和信号特性的重要参数。 回声时间 (TE)