第9,10講組合邏輯電路設計

組合邏輯電路設計

主要內容◆基本門電路◆加法器◆比較器◆編碼器◆譯碼器◆多路數(shù)據選擇器◆其它組合電路設計1.基本門電路設計//門級結構描述

modulegate1(F,A,B,C,D);inputA,B,C,D;outputF;nand(F1,A,B);//調用門元件and(F2,B,C,D);or(F,F1,F2);endmoduleF2F11.基本門電路設計數(shù)據流描述modulegate2(F,A,B,C,D);inputA,B,C,D;outputF;assignF=（~(A&B)）|(B&C&D);//assign持續(xù)賦值endmodule基本門電路設計行為描述modulegate3(F,A,B,C,D);inputA,B,C,D;outputF;regF;always@(AorBorCorD)

//過程賦值beginF=（~(A&B)）|(B&C&D);endendmodule加法器4位全加器moduleadder4(cout,sum,ina,inb,cin);output[3:0]sum;outputcout;input[3:0]ina,inb;inputcin;assign{cout,sum}=ina+inb+cin;endmodule比較器一個四位大小比較器的輸入是兩個四位數(shù)A和B，我們可以將它們寫成下面的形式，最左邊的為最高有效位：

A=A(3)A(2)A(1)A(0)B=B(3)B(2)B(1)B(0)兩個數(shù)的比較規(guī)則：從最高有效位開始，逐位進行。如果兩個位不相等，則該位值為0的數(shù)為較小的數(shù)。為了用邏輯等式實現(xiàn)這個功能，我們需要定義一個中間變量X。注意下面實現(xiàn)的是同或的功能：

X(i)=A(i)B(i)+A(i)’B(i)’比較器大小比較器的三個輸出為：A_gt_B,A_it_B和A_eq_B。當A>B時，A_gt_B=1；當A<B時，A_it_B=1；當A=B時，A_eq_B=1；其計算公式為：A_gt_B=(A[3]&~B[3])|(X[3]&A[2]&~B[2])|(X[3]&X[2]&A[1]&~B[1])|(X[3]&X[2]&X[1]&A[0]&~B[0]),A_it_B=(~A[3]&B[3])|(X[3]&~A[2]&B[2])|(X[3]&X[2]&~A[1]&B[1])|(X[3]&X[2]&X[1]&~A[0]&B[0]),

A_eq_B=X[3]&X[2]&X[1]&X[0];比較器（方法一）modulecomp1(A,B,A_gt_B,A_it_B,A_eq_B);input[3:0]A,B;outputA_gt_B,A_it_B,A_eq_B;wire[3:0]X;assignX[0]=(A[0]&B[0])|(~A[0]&~B[0]),X[1]=(A[1]&B[1])|(~A[1]&~B[1]),X[2]=(A[2]&B[2])|(~A[2]&~B[2]),X[3]=(A[3]&B[3])|(~A[3]&~B[3]);比較器（方法一）assign

A_gt_B=(A[3]&~B[3])|(X[3]&A[2]&~B[2])|(X[3]&X[2]&A[1]&~B[1])|(X[3]&X[2]&X[1]&A[0]&~B[0]),

A_it_B=(~A[3]&B[3])|(X[3]&~A[2]&B[2])|(X[3]&X[2]&~A[1]&B[1])|(X[3]&X[2]&X[1]&~A[0]&B[0]),

A_eq_B=X[3]&X[2]&X[1]&X[0];endmodule比較器（方法二）modulecomp2(A,B,A_gt_B,A_it_B,A_eq_B);input[3:0]A,B;outputA_gt_B,A_it_B,A_eq_B;assignA_gt_B=(A>B);assignA_it_B=(A<B);assignA_eq_B=(A==B);endmodule比較器（方法三）modulecomp3(A,B,A_gt_B,A_it_B,A_eq_B);input[3:0]A,B;outputA_gt_B,A_it_B,A_eq_B;reg

A_gt_B,A_it_B,A_eq_B;always@(AorB)beginif(A>B)beginA_gt_B<=1;A_it_B<=0;A_eq_B<=0;endelseif(A<B)begin

A_gt_B<=0;A_it_B<=1;A_eq_B<=0;endelseif(A==B)beginA_gt_B<=0;A_it_B<=0;A_eq_B<=1;endelsebeginA_gt_B<=0;A_it_B<=0;A_eq_B<=0;endendendmodule

編碼器

編碼器是指能實現(xiàn)用二進制對輸入信號進行編碼的電路，對于每一路輸入信號將輸出唯一的二進制代碼數(shù)。編碼器又分為一般編碼器和優(yōu)先編碼器兩種，一般編碼器一次只能輸入一個信號，優(yōu)先編碼器一次允許輸入多個信號。下圖所示是一個8-3編碼器，其中in[7]～in[0]是8位數(shù)據輸入端，out[2]～out[0]是3位編碼輸出端。8-3編碼器若輸入端每次有且只有一個是有效的（高電平），那么用一個8位的二進制串表示該輸入信號是很浪費的（如用00010000表示in[4]端口有效的輸入信號），可以把這個二進制串用一個3位的二進制數(shù)表示（000～111分別表示in[0]～in[7]是有效的），這就是8-3編碼器。8-3編碼器case語句實現(xiàn)moduleencoder(in,out);input[7:0]in;output[2:0]out;reg[2:0]out;always@(in)

case(in)

8'b00000001:out=3’b000;//in[0]為1時輸出編碼0008'b00000010:out=3’b001;//in[1]為1時輸出編碼0018'b00000100:out=3’b010;//in[2]為1時輸出編碼0108'b00001000:out=3’b011;//in[3]為1時輸出編碼0118'b00010000:out=3’b100;//in[4]為1時輸出編碼100

8'b00100000:out=3’b101;//in[5]為1時輸出編碼1018'b01000000:out=3’b110;//in[6]為1時輸出編碼1108'b10000000:out=3’b111;//in[7]為1時輸出編碼111

default:out=3’bxxx;

endcase

endmodule8-3優(yōu)先編碼器if語句實現(xiàn)要求優(yōu)先級依次為：h->a；000～111分別表示a～h是有效的,若a～h沒有一個信號有效時none_on取值為1，其它情況none_on取值為0；8-3優(yōu)先編碼器if語句實現(xiàn)moduleencoder8_3(none_on,out,a,b,c,d,e,f,g,h);

output

none_on;output[2:0]out;

inputa,b,c,d,e,f,g,h;reg[3:0]

outtemp;

assign{none_on,out}=outtemp;

always@(aorborcordoreorforgorh)begin

if(h)outtemp=4'b0111;elseif(g)outtemp=4'b0110;

elseif(f)outtemp=4'b0101;elseif(e)outtemp=4'b0100;elseif(d)outtemp=4'b0011;elseif(c)outtemp=4'b0010;elseif(b)outtemp=4'b0001;elseif(a)outtemp=4'b0000;elseouttemp=4'b1000;end

endmodule

用函數(shù)定義的8-3優(yōu)先編碼器modulecode8_3(in，out);

output[2:0]out;input[7:0]in;function[2:0]codeout;input[7:0]codein;If(codein[7])codeout=3’d7;elseif(codein[6])codeout=3’d6;elseif(codein[5])codeout=3’d5;elseif(codein[4])codeout=3’d4;elseif(codein[3])codeout=3’d3;elseif(codein[2])codeout=3’d2;elseif(codein[1])codeout=3’d1;elsecodeout=3’d0;endfunctionassignout=codeout(in);

end

endmodule

3-8解碼器和8-3編碼器工作過程恰恰相反，3-8解碼器的工作是把已編碼成3位的二進制數(shù)轉換成相應的未編碼前的8位二進制串。與8-3編碼器不同的是，解碼器多了一個使能端En，只有在使能端有效的時候，解碼器才能工作。3-8解碼器下圖所示是一個一般解碼器——3-8解碼器，其中Ain[2]～Ain[0]是數(shù)據輸入端，Yout[7]～Yout[0]是解碼輸出端，En是使能控制端。要求：Ain取000～111時，分別代表Yout[0]~Yout[7]有效moduledecoder(Ain,En,Yout);inputEn;input[2:0]Ain;output[7:0]Yout;

reg[7:0]Yout;always@(EnorAin)beginif(!En)

Yout=8'b0;//使能信號無效時會把輸出置0else3-8解碼器case(Ain)3'b000:Yout=8'b00000001;//03'b001:Yout=8'b00000010;//13'b010:Yout=8'b00000100;//23'b011:Yout=8'b00001000;//33'b100:Yout=8'b00010000;//43'b101:Yout=8'b00100000;//5

3'b110:Yout=8'b01000000;//63'b111:Yout=8'b10000000;//7default:Yout=8'b00000000;//default項

endcaseendendmodule多路數(shù)據選擇器

多路數(shù)據選擇器是一種應用廣泛的通用邏輯器件，它能夠根據按需要從多個輸入信號中選擇一個送到輸出端。用if-else構造的4選1選擇器

下圖所示是一個用if-else語句構造的有優(yōu)先級的選擇器，c、d、e、f是4個數(shù)據輸入端，pout是數(shù)據輸出端，s是選擇信號輸入端。S取00時，pout=cS取01時，pout=dS取10時，pout=eS取其它值，pout=fIf-else是一個有優(yōu)先級的條件執(zhí)行語句結構，排在前面的判斷條件優(yōu)先級高，所以只要排在最前面的判斷條件滿足，就執(zhí)行那個分支語句，把后面的分支全部忽略。在本程序中，4個輸入端c、d、e、f優(yōu)先級依次降低，建模程序如下：moduleIF_MUX(c,d,e,f,s,pout);inputc,d,e,f;input[1:0]s;outputpout;

regpout;always@(cordoreorfors)beginif(s==2'b00)pout=c;//s是00時選通celseif(s==2'b01)pout=d;//s是01時選通delseif(s==2'b10)

pout=e;//s是10時選通eelsepout=f;//s是其他值時選通fendendmodule用case構造的4選1選擇器下圖是一個用case語句構造的4選1多路選擇器，C、D、E、F是4個數(shù)據輸入端，MUX_OUT是數(shù)據輸出端，S[1:0]是選擇信號輸入端。S取00時，pout=cS取01時，pout=dS取10時，pout=eS取其它值，pout=fmoduleMUX(C,D,E,F,S,MUX_OUT);inputC,D,E,F;input[1:0]S;outputMUX_OUT;

regMUX_OUT;

always@(CorDorEorForS)begincase(S)2'b00:MUX_OUT=C;//00時選擇C2'b01:MUX_OUT=D;//01時選擇D2'b10:MUX_OUT=E;//10時選擇Edefault:MUX_OUT=F;//選擇信號是其他值（包括11）時選擇F

endcaseendendmodule用case構造的12選1選擇器下圖所示，這是一個用case語句構造的12選1多路選擇器，其中A～M是12個數(shù)據輸入端，mux_out是數(shù)據輸出端，mux_sel是選擇信號輸入端。為了能從12個輸入中選擇1個，選擇信號mux_sel至少應有4位，4位的值可以表示16種信號，沒有用到的4種情況下將把輸出置0。此選擇器的建模程序如下：Modulemux12_1(mux_out,mux_sel,M,L,K,J,H,G,F,E,D,C,B,A);outputmux_out;input[3:0]mux_sel;inputM,L,K,J,H,G,F,E,D,C,B,A;

reg

mux_out;always@({mux_sel[3:0]}orMorLorKorJorHorGorForEorDorCorBorA)begincase({mux_sel[3:0]})4'b0000:mux_out=A;4'b0001:mux_out=B;4'b0010:mux_out=C;

4'b0011:mux_out=D;4'b0100:mux_out=E;4'b0101:mux_out=F;4'b0110:mux_out=G;4'b0111:mux_out=H;4'b1000:mux_out=J;4'b1001:mux_out=K;

4'b1010:mux_out=L;4'b1011:mux_out=M;4'b1100:mux_out=1'b0;//未選擇任何信號，輸出置04'b1101:mux_out=1'b0;//未選擇任何信號，輸出置04'b1110:mux_out=1'b0;//未選擇任何信號，輸出置04'b1111:mux_out=1'b0;