數(shù)字電路的邏輯運算課件

1、數(shù)字電路與EDA技術(shù),使用教材： 潘松 黃繼業(yè) EDA技術(shù)實用教程（第三版）北京 科學(xué)出版社 2007 參考書目：劉昌華 數(shù)字邏輯EDA設(shè)計與實踐 國防工業(yè)出版社 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）. 高等教育出版社 2006.5 王毓銀主編，數(shù)字電路邏輯設(shè)計，高等教育出版社，1999；,1,PPT學(xué)習(xí)交流,考核方式：期末考試時間為120分鐘，閉卷，具體考試時間至少提前1周通知學(xué)生。 成績評定：平時10，實驗30，期末考試60,2,PPT學(xué)習(xí)交流,邏輯代數(shù)基礎(chǔ),3,PPT學(xué)習(xí)交流,2.1 數(shù)字電路的基礎(chǔ)知識 2.2 邏輯代數(shù)及其運算規(guī)則 2.3 邏輯函數(shù)表示方法 2.4 邏輯函數(shù)的化簡,4,P

2、PT學(xué)習(xí)交流,在數(shù)字電路中，主要研究的是電路的輸入輸出之間的邏輯關(guān)系，因此數(shù)字電路又稱邏輯電路，其研究工具是邏輯代數(shù)（布爾代數(shù)或開關(guān)代數(shù)）。,邏輯變量：用字母表示，取值只有0和1。 此時，0和1不再表示數(shù)量的大小， 只代表兩種不同的狀態(tài)。,2.1 概述,5,PPT學(xué)習(xí)交流,一、與邏輯（與運算）,例：開關(guān)A，B串聯(lián)控制燈泡Y,A、B都斷開，燈不亮。,A斷開、B接通，燈不亮。,A接通、B斷開，燈不亮。,2.2 邏輯代數(shù)中的三種基本運算,6,PPT學(xué)習(xí)交流,功能表,將開關(guān)接通記作1，斷開記作0；燈亮記作1，燈滅記作0。可以作出如下表格來描述與邏輯關(guān)系：,真值表,兩個開關(guān)均接通時，燈才會亮。邏輯表達式

3、為：,7,PPT學(xué)習(xí)交流,實現(xiàn)與邏輯的電路稱為與門。 與門的邏輯符號：,8,PPT學(xué)習(xí)交流,二、或邏輯（或運算）,兩個開關(guān)只要有一個接通，燈就會亮。邏輯表達式為：,功能表,真值表,+,9,PPT學(xué)習(xí)交流,實現(xiàn)或邏輯的電路稱為或門。 或門的邏輯符號：,Y=A+B,10,PPT學(xué)習(xí)交流,三、非邏輯（非運算）,功能表,真值表,11,PPT學(xué)習(xí)交流,實現(xiàn)非邏輯的電路稱為非門。 非門的邏輯符號：,YA,12,PPT學(xué)習(xí)交流,常用的邏輯運算,1、與非運算： 邏輯表達式為：,13,PPT學(xué)習(xí)交流,2、或非運算： 邏輯表達式為：,14,PPT學(xué)習(xí)交流,3、異或運算：邏輯表達式為：,15,PPT學(xué)習(xí)交流,異或邏

4、輯的運算規(guī)則：,00=,0,01=,1,10=,1,0,11=,A0=,A1=,AA=,AA=,A,A,1,0,16,PPT學(xué)習(xí)交流,4、同或運算：邏輯表達式為：,AB,異或和同或互為反運算,17,PPT學(xué)習(xí)交流,同或邏輯的運算規(guī)則：,0 0=,1,0 1=,0,1 0=,0,1,1 1=,A 0=,A 1=,A A=,A A=,A,A,1,0,18,PPT學(xué)習(xí)交流,5、 與或非運算：邏輯表達式為：,19,PPT學(xué)習(xí)交流,2.3 邏輯代數(shù)的基本公式和常用公式,一、基本公式,請?zhí)貏e注意與普通代數(shù)不同之處,1.常量之間的關(guān)系,20,PPT學(xué)習(xí)交流,2.基本公式,分別令A(yù)=0及A=1代入這些公式，即

5、可證明它們的正確性。,亦稱 非非律,21,PPT學(xué)習(xí)交流,3.基本定理,利用真值表很容易證明這些公式的正確性。如證明AB=BA：,22,PPT學(xué)習(xí)交流,求證: （17式） A+BC=(A+B)(A+C),證明:,右邊 =(A+B)(A+C),=AA+AB+AC+BC,=A +A(B+C)+BC,=A(1+B+C)+BC,=A 1+BC,=A+BC,=左邊,課本上用真值表證明,23,PPT學(xué)習(xí)交流,二、常用公式,1. A+AB =,A(A+B)= A(A+B)=,A,A+B A+B,AB AB,24,PPT學(xué)習(xí)交流,證明:,A+AB =(A+A) (A+B) ;分配律 =1(A+B) =A+B,

6、A+BC=(A+B)(A+C),25,PPT學(xué)習(xí)交流,3. AB+AB =,4. A(A+B )=,證明: A(A+B )=AA+AB =A+AB =A(1+B) =A,(A+B ) (A+B )=,注: 紅色變量被吸收掉！也稱 吸收律,A,A,A,26,PPT學(xué)習(xí)交流,5. AB+AC+BC =,證明:,AB+AC+BC =AB+AC+(A+A)BC =AB+AC+ABC+ABC =AB(1+C) +AC(1+B) =AB +AC,AB+AC+BCD =,AB+AC,AB+AC,冗余定律或 多余項定理 或包含律,27,PPT學(xué)習(xí)交流,(A+B)(A+C)(B+C) =,(A+B)(A+C),

7、(A+B)(A+C)(B+C+D) =,(A+B)(A+C),冗余定律或多余項定理的其他形式,同理：此多余項可以擴展成其他形式,28,PPT學(xué)習(xí)交流,證明:,A(AB) =A(A+B) =AA+AB = AB,A(AB) =A(A+B) =AA+AB = A(1+B) =A,AB,A,29,PPT學(xué)習(xí)交流,一、代入定理,任何一個含有變量A的等式，如果將所有出現(xiàn)A的位置都用同一個邏輯函數(shù)代替，則等式仍然成立。這個規(guī)則稱為代入定理。,例如，已知等式 ，用函數(shù)Y=BC代替等式中的B，根據(jù)代入定理，等式仍然成立，即有：,2.4 邏輯代數(shù)的基本定理,30,PPT學(xué)習(xí)交流,二、 反演定理,對于任何一個邏輯

8、表達式Y(jié)，如果將表達式中 的所有“”換成“”，“”換成“”，“0” 換成“1”，“1”換成“0”，原變量換成反變量， 反變量換成原變量，那么所得到的表達式就是函 數(shù)Y的反函數(shù)Y（或稱補函數(shù)）。這個規(guī)則稱為反 演定理。,31,PPT學(xué)習(xí)交流,應(yīng)用反演定理應(yīng)注意兩點：,1、保持原來的運算優(yōu)先順序，即如果在原函數(shù)表 達式中，AB之間先運算，再和其它變量進行 運算， 那么非函數(shù)的表達式中，仍然是AB之 間先運算。 2、不屬于單個變量上的反號應(yīng)保留不變。,32,PPT學(xué)習(xí)交流,三、 對偶定理,對于任何一個邏輯表達式Y(jié)，如果將表達式中的所有“”換成“”，“”換成“”，“0”換成“1”，“1”換成“0”，而

9、變量保持不變，則可得到的一個新的函數(shù)表達式 YD, YD稱為Y的對偶式。,對偶定理：如果兩個邏輯式相等，則它們的對偶式也相等。,利用對偶規(guī)則,可以使要證明及要記憶的公式數(shù)目減少一半。,33,PPT學(xué)習(xí)交流,（2）式,（12）式,34,PPT學(xué)習(xí)交流,2.5 邏輯函數(shù)及其表示方法,一、邏輯函數(shù),如果以邏輯變量作為輸入，以運算結(jié)果作為輸出，當(dāng)輸入變量的取值確定之后，輸出的取值便隨之而定。輸出與輸入之間的函數(shù)關(guān)系稱為邏輯函數(shù)。Y=F(A,B,C,),35,PPT學(xué)習(xí)交流,二、邏輯函數(shù)表示方法,常用邏輯函數(shù)的表示方法有：邏輯真值表（真值表）、邏輯函數(shù)式（邏輯式或函數(shù)式）、邏輯圖、波形圖、卡諾圖及硬件描

10、述語言。它們之間可以相互轉(zhuǎn)換。,例：一舉重裁判電路,36,PPT學(xué)習(xí)交流,設(shè)A、B、C為1表示開關(guān)閉合，0表示開關(guān)斷開； Y為1表示燈亮，為0表示燈暗。得到函數(shù)表示形式：,真值表,函數(shù)式,邏輯圖,37,PPT學(xué)習(xí)交流,波形圖,38,PPT學(xué)習(xí)交流,真值表：將輸入、輸出的所有可能狀態(tài)一一對應(yīng)地列出。,一輸入變量，二種組合,二輸入變量，四種組合,三輸入變量，八種組合,39,PPT學(xué)習(xí)交流,四輸入變量，16種組合,40,PPT學(xué)習(xí)交流,請注意,n個變量可以有2n個組合，一般按二進制的順序，輸出與輸入狀態(tài)一一對應(yīng)，列出所有可能的狀態(tài)。,41,PPT學(xué)習(xí)交流,邏輯函數(shù)式,把邏輯函數(shù)的輸入、輸出關(guān)系寫成與

11、、或、非等邏輯運算的組合式，即邏輯代數(shù)式，又稱為邏輯函數(shù)式，通常采用“與或”的形式。,比如：,42,PPT學(xué)習(xí)交流,邏輯圖：,把相應(yīng)的邏輯關(guān)系用邏輯符號和連線表示出來。,43,PPT學(xué)習(xí)交流,各種表示方法之間的相互轉(zhuǎn)換,1、真值表邏輯函數(shù)式,方法:將真值表中為1的項相加,寫成 “與或式”。,44,PPT學(xué)習(xí)交流,2、邏輯式真值表,方法:將輸入變量取值的所有組合狀態(tài)逐一帶入邏輯式求函數(shù)值,列成表即得真值表。,例2.5.2,0,1,1,1,1,1,1,0,45,PPT學(xué)習(xí)交流,3、邏輯式邏輯圖,方法:用圖形符號代替邏輯式中的運算符號,就可以畫出邏輯圖.,例2.5.3,46,PPT學(xué)習(xí)交流,4、邏輯

12、圖邏輯式,方法:從輸入端到輸出端逐級寫出每個圖形符號對應(yīng)的邏輯式，即得到對應(yīng)的邏輯函數(shù)式.,47,PPT學(xué)習(xí)交流,5、波形圖真值表,0,1,1,0,0,1,0,1,48,PPT學(xué)習(xí)交流,最小項:,在n變量邏輯函數(shù)中，若m為包含n個因子的乘積項，而且這n個變量都以原變量或反變量的形式在m 中出現(xiàn)，且僅出現(xiàn)一次，則這個乘積項m稱為該函數(shù)的一個標準積項，通常稱為最小項。,3個變量A、B、C可組成 8(23)個最小項：,4個變量可組成 16(24)個最小項,記作m0m15。,三、邏輯函數(shù)的兩種標準形式,49,PPT學(xué)習(xí)交流,若兩個最小項僅有一個因子不同，則稱這兩個最小項具有相鄰性。例： 和 ，這兩個最

13、小項相加時能合并，并可消去1個因子。,50,PPT學(xué)習(xí)交流,最小項的性質(zhì):,任意一個最小項，只有一組變量取值使其值為1。,任意兩個不同的最小項的乘積必為0。,全部最小項的和必為1。,51,PPT學(xué)習(xí)交流,具有相鄰性的兩個最小項可以合并，并消去一對因子。,只有一個因子不同的兩個最小項是具有相鄰性的最小項。,例如:,將它們合并，可消去因子:,= BC,ABC 和 ABC 具有邏輯相鄰性。,ABC+ABC =,(A+A) BC,52,PPT學(xué)習(xí)交流,任何一個邏輯函數(shù)都可以表示成唯一的一組最小項之和，稱為標準與或表達式，也稱為最小項表達式。,邏輯函數(shù)的最小項表達式,對于不是最小項表達式的與或表達式，

14、可利用公式AA1 和A(B+C)ABAC 來配項展開成最小項表達式。,53,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.5.6,54,PPT學(xué)習(xí)交流,如果列出了函數(shù)的真值表，則只要將函數(shù)值為1的那些最小項相加，便是函數(shù)的最小項表達式。,55,PPT學(xué)習(xí)交流,在n變量邏輯函數(shù)中，若M為包含n個因子的和項，而且這n個變量都以原變量或反變量的形式在M 中出現(xiàn)，且僅出現(xiàn)一次，則這個和項M稱為該函數(shù)的一個標準和項，通常稱為最大項。 n個變量有2n個最大項，記作i 最大項的性質(zhì)： 在輸入變量的任何取值下必有一個最大項且僅有一個最大項的值為0； 全體最大項之積為0；即 任意兩個最大項之和為1； 只有一個變量不同的兩個最大項的乘積

15、等于各相同變量之和。,最大項:,56,PPT學(xué)習(xí)交流,例: 寫出函數(shù) Y=A(B+C)的標準或與表達式。 解:,Y=A(B+C) =(A+BB+CC)(AA+B+C) =(A+B+C)(A+B+C)(A+B+C)(A+B+C)(A+B+C)(A+B+C) =(A+B+C)(A+B+C)(A+B+C)(A+B+C)(A+B+C),57,PPT學(xué)習(xí)交流, 最小項與最大項的關(guān)系,相同編號的最小項和最大項存在互補關(guān)系,即:,mi =,Mi =,若干個最小項之和表示的表達式Y(jié)，其反函數(shù)Y可用等同個與這些最小項相對應(yīng)的最大項之積表示。,=,=,58,PPT學(xué)習(xí)交流,四、邏輯函數(shù)形式的變換,根據(jù)邏輯表達式，

16、可以畫出相應(yīng)的邏輯圖，表達式的形式?jīng)Q定門電路的個數(shù)和種類。在用電子器件組成實際的邏輯電路時，由于選擇不同邏輯功能類型的器件，因此需要將邏輯函數(shù)式變換成相應(yīng)的形式。,59,PPT學(xué)習(xí)交流,1、最簡與或表達式,最簡與或表達式,與門的輸入端個數(shù)少,60,PPT學(xué)習(xí)交流,2、最簡與非-與非表達式,在最簡與或表達式的基礎(chǔ)上兩次取反,用摩根定律去掉內(nèi)層的非號,61,PPT學(xué)習(xí)交流,3、最簡或與表達式,求出反函數(shù)的最簡與或表達式,利用反演規(guī)則寫出函數(shù)的最簡或與表達式,62,PPT學(xué)習(xí)交流,4、最簡或非-或非表達式,求最簡或與表達式,兩次取反,用摩根定律去掉內(nèi)部的非號,63,PPT學(xué)習(xí)交流,、最簡與或非表達式

17、,求最簡或非-或非表達式,用摩根定律去掉內(nèi)部非號。,方法一：,64,PPT學(xué)習(xí)交流,求出反函數(shù)的最簡與或表達式,求反，得到最簡與或非表達式,方法二：,65,PPT學(xué)習(xí)交流,2.6 邏輯函數(shù)的化簡方法,一、公式化簡法,并項法：,吸收法：,A+AB =A,消項法：,消因子法：,配項法：,66,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.6.1 試用并項法化簡下列函數(shù),=B,67,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.6.2 試用吸收法化簡下列函數(shù),= A+BC,68,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.6.3 用消項法化簡下列函數(shù),69,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.6.4 用消因子法化簡下列函數(shù),70,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.6.5 化簡函數(shù),解：,; A

18、+AA,例2.6.6 化簡函數(shù),解：,; A+A1,71,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.6.6 化簡函數(shù),解二：,; 消去，消去,解三：,; 消去,消去,;增加冗余項,;增加冗余項,72,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.6.7 化簡邏輯函數(shù),解：,吸收法,73,PPT學(xué)習(xí)交流,邏輯函數(shù)的卡諾圖表示法,將n變量的全部最小項各用一個小方塊表示，并使具有邏輯相鄰性的最小項在幾何位置上相鄰排列，得到的圖形叫做n變量最小項的卡諾圖。,卡諾圖的定義：,二、卡諾圖化簡法,74,PPT學(xué)習(xí)交流,邏輯相鄰項：僅有一個變量不同其余變量均相同的兩個最小項，稱為邏輯相鄰項。,75,PPT學(xué)習(xí)交流,卡諾圖的表示：,1、一變量全部最小項的

19、卡諾圖,一變量Y=F（A），,Y,A,0,1,A,Y,A,0,1,m0,m1,全部最小項：,A，,A,卡諾圖：,下面我們根據(jù)邏輯函數(shù)變量數(shù)目的不同分別介紹一下：,A,76,PPT學(xué)習(xí)交流,A,B,Y,0,1,0,1,m0,m1,m2,m3,Y,AB,00,01,11,10,A B,AB,AB,A B,00,01,11,10,m0,m1,m3,m2,Y,A,BC,0,1,00,01,11,10,m0,m1,m4,m5,m3,m2,m7,m6,2、二變量全部最小項的卡諾圖,Y= F（A、B）,Y,AB,C,00,01,11,10,0,1,m0,m1,m4,m5,m3,m2,m7,m6,3、三變量全

20、部最小項的卡諾圖,Y=F（A、B、C）,77,PPT學(xué)習(xí)交流,Y,AB,CD,00,01,11,10,00,01,11,10,m0,m1,m4,m5,m3,m2,m7,m6,m12,m13,m8,m9,m15,m14,m11,m10,Y,ABC,D,000,001,011,010,100,101,111,110,0,1,m0,m1,m3,m2,m4,m5,m7,m6,m8,m9,m11,m10,m12,m13,m15,m14,4、四變量全部最小項的卡諾圖,Y= F（A、B、C、D）,注意：,左右、上下；,在卡諾圖中，,每一行的首尾；,每一列的首尾；,的最小項都是邏輯相鄰的。,78,PPT學(xué)習(xí)交

21、流,Y = AC+ AC + BC + BC,卡諾圖：,1,1,1,1,1,1,0,0,A(B+B)C +,(A+A)BC,Y=A(B+B)C+,(A+A)BC+,1、把已知邏輯函數(shù)式化為最小項之和形式。,2、將函數(shù)式中包含的最小項在卡諾圖對應(yīng) 的方格中填 1，其余方格中填 0。,方法一：,解：,對于AC有：,對于AC有：,對于BC有：,對于BC有：,根據(jù)函數(shù)式直接填卡諾圖,方法二：,1,1,1,1,1,0,0,1,1,例：,用卡諾圖表示之。,1,用卡諾圖表示邏輯函數(shù)：,79,PPT學(xué)習(xí)交流,用卡諾圖表示邏輯函數(shù)：,例2.6.8 用卡諾圖表示邏輯函數(shù),解：將Y化為最小項之和的形式,m1+m4+

22、m6+m8+m9+m10+m11+m15,1,80,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.6.9 已知邏輯函數(shù)的卡諾圖,試寫出該函數(shù)的邏輯式,81,PPT學(xué)習(xí)交流,化簡依據(jù)：邏輯相鄰性的最小項可以合并，并消去因子。,化簡規(guī)則：能夠合并在一起的最小項是2 n 個,如何最簡： 圈的數(shù)目越少越簡；圈內(nèi)的最小項越多越簡。,特別注意：卡諾圖中所有的 1 都必須圈到， 不能合并的 1 必須單獨畫 圈。,上兩式的內(nèi)容不相同，但函數(shù)值一定相同。,Y1 =,BC,+,Y1 =,將Y1=AC+AC+BC+BC 化簡為最簡與或式。,此例說明，一邏輯函數(shù)的化簡結(jié)果可能不唯一。,例：,（畫矩形圈）。,用卡諾圖化簡邏輯函數(shù),82,PPT

23、學(xué)習(xí)交流,用卡諾圖化簡邏輯函數(shù),合并最小項的原則,（1）任何兩個（21個）相鄰最小項，可以合并為一項，并消去一個變量。,83,PPT學(xué)習(xí)交流,合并最小項的原則,（2）任何4個（22個）相鄰的最小項，可以合并為一項，并消去2個變量。,此例說明，為了使化簡結(jié)果最簡，可以重復(fù)利用最小項,84,PPT學(xué)習(xí)交流,合并最小項的原則,（3）任何8個（23個）相鄰最小項，可以合并為一項，并消去3個變量。,85,PPT學(xué)習(xí)交流,合并最小項的原則,利用 AB+AB=A 2個最小項合并，消去1個變量； 4個最小項合并，消去2個變量； 8個最小項合并，消去3個變量； 2n個最小項合并，消去n個變量；,86,PPT學(xué)習(xí)交流,卡諾圖化簡法的步驟, 畫出變量的卡諾圖; 作出函數(shù)的卡諾圖; 畫圈; 寫出最簡與或表達式。,畫 圈 的 原 則, 合并個數(shù)為2n； 圈盡可能大-乘積項中含因子數(shù)最少； 圈盡可能少-乘積項個數(shù)最少； 每個圈中至少有一個最小項僅被圈過一次，以免出現(xiàn)多余項。,87,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.6.10 用卡諾圖將下式化簡為最簡與或函數(shù)式,1,1,Y,Y,88,PPT學(xué)習(xí)交流,例2.6.11 用卡諾圖將下式化簡為最簡與或函數(shù)式,Y,89,PPT學(xué)習(xí)交流,Y,90,PPT學(xué)習(xí)交流,2.7 具有無關(guān)項的邏輯函