使用與非門或或非門實現(xiàn)非門的案例解析

這篇文章分為三個部分，解讀某個學生在EDN姐妹媒體EEWeb論壇上所提出的一個問題，其核心如下：他的老師布置了一個布爾方程式；然后要求他創(chuàng)建相應的真值表；然后再告訴他要進行卡諾圖化簡；最后要他必須只使用與非（NAND）門或只使用或非（NOR）門來實現(xiàn)這個電路。

因此，一開始要做的就是考慮為什么首先要提出這種問題。接下來就是更詳細地研究這個學生的特定問題，并將其轉換成最初的與或解決方案。然后，就是考慮將與或電路轉換為與非-或非對應電路的一般概念。最后，就是用所學的知識來解決這個學生的最初問題。

為什么要只使用與非門或只使用或非門？

那么，為什么老師都會要求他的學生只使用與非門或只使用或非門來實現(xiàn)邏輯函數(shù)？（請注意，我特地不說“只使用與非門或或非門”，因為這有可能被理解成可以使用與非門和或非門，而不使用與門和或門。）

盡管學生可能對此感到驚訝，但不一定就說明老師是個不成功的人，他生活中唯一的樂趣就是去折磨學生。話雖這么說，但回想起我自己還是一名學生的日子，我們最好不要實際排除這種可能的動機。

我不由自主地想到老師給學生布置這個作業(yè)可能有以下原因：

1.給出一個用與門或或門（乘積的和或和的乘積形式）描述的電路，然后要求學生將其轉換成只使用與非門、只使用或非門或使用與非門和或非門組合的另一種表現(xiàn)形式，是確保讓學生了解各種邏輯門如何工作的好方法。它還有助于確保讓學生了解德·摩根變換之類的內容。

2.如果你想使用簡單的邏輯器件——例如包含六個非門或四個2輸入與門、或門、與非門或或非門的雙列直插（DIL）封裝集成電路（IC）——來設計印制電路板（PCB），而你可能正好沒有與門之類的東西，但是碰巧有一個與非門和一個非門備用（或者可能是一個或門和三個非門），那么在這種情況下，你對邏輯門的理解就可能扭轉局面。

3.最簡單的邏輯門是非門。假設是CMOS電路，那么一個非門需要兩個晶體管。與非門和或非門要復雜一些，這兩種門每種包含四個晶體管。然后是與門和或門，這兩種門每種包含六個晶體管。也就是說，如果使用與非門或或非門代替與門或或門，那么所使用的晶體管數(shù)量可以減少三分之一。

4.關于上一點，與門實際上是由一個與非門后接一個非門構成的（同樣，或門是由一個或非門后接一個非門所組成）。除了使用4+2=6個晶體管外，這還說明與門（和或門）具有兩級延遲。因此，如果可以使用與非門取代與門（或用或非門取代或門），所得到的電路會運行得更快。

5.順便稍微說一句，本文所討論的所有內容在我的書“Bebop to the Boolean Boogie”中都有詳細描述。

實際上，現(xiàn)在已很少有人在門級進行設計。取而代之的是以較高層級的抽象捕獲設計，然后使用邏輯綜合引擎生成相應的門級等效設計。這說明上述第2點到第4點不再像以前那樣重要。

你可以爭辯說，第1點也是如此，但我不太同意。我的想法是，它類似于使用計算器進行計算的概念。如果你有一個計算器，那你實際上就不需要知道如何對整數(shù)、實數(shù)和浮點數(shù)進行加減乘除運算，但是，如果你掌握了這類知識，那么當你計算器的電池沒電時，它就可以派上用場。同樣，盡管你可能不需要每天處理布爾結構，但是在需要時知道如何處理就會非常方便。

思考問題

所以，下面是那個學生給我的。他首先說，老師向班級展示了以下方程式：

那個學生還告訴我，他已經(jīng)使用這個方程式生成了下面的真值表，但是從這時起，他遇到了麻煩而做不下去了。

好吧，我不得不告訴他，我對他遇到的問題一點都不感到驚訝，因為在他的方程式里有六個乘積項，每個乘積項在他的真值表的輸出列中都應該有一個對應的1，但是實際上，他的真值表的輸出列中只有五個1。

我對這個情況進行了反復考慮，我認為潛在的問題是他缺乏對基本原理的理解。還有一點是，如果有一個學生感到困惑，那么就很可能不止他一個人。最后但同樣重要的是，我記得我剛開始時有點困惑不解，所以我會花一點時間逐步解決這個問題（如果你感到無聊，請隨時跳過；或者，你也可以隨時試著發(fā)現(xiàn)我可能引入的任何故意的錯誤，以便了解你是否有集中精力）。

我要做的第一件事就是在方程式中對乘積項進行編號，以便可以對我們所處的位置和所做的事進行跟蹤（如果我們是來真的，那么就不必費心對乘積項進行編號）：

下一步是創(chuàng)建真值表?？梢詮囊詷藴识M制數(shù)表示的所有輸入組合開始，如下面的（a）所示；然后將與六個乘積項相對應的六個1加起來，如（b）到（g）所示；最后把任何剩余的輸出“位置”都填入0，如下面的（h）所示。

這里要注意的重點是，將方程式轉換為真值表確實一點也不困難。話雖如此，但無論誰這樣做，都必須了解這個過程背后的基本邏輯。再看一下這個方程式，其本質可以這樣來表達：“如果第一個乘積項（第一個與函數(shù)）為真，則輸出為真（邏輯1），或者如果第二乘積項為真，則輸出為真，或者如果第三乘積項為真……）。這就是為什么可以在與每個乘積項相對應的輸出列中簡單地填寫1——如果這些乘積項中的任何一項為真，則輸出為真（1），否則輸出為假（0）。

下一步是創(chuàng)建卡諾圖。首先是創(chuàng)建網(wǎng)格本身。由于總共有三個輸入，因此可以使用兩種方法（方案）來做這一步，如下所示：

選擇使用哪種方案都沒有關系。這兩種情況下答案都是相同的（如果不是，那就確實有問題）。這里使用方案1，這種方法我比較喜歡。如果有任何學生正在閱讀本文，我建議你在這步完成后從此處開始，自己使用卡諾圖方案2進行重做，以便確保你真正了解這個過程。

查看卡諾圖方案1，觀察“AB”所處的位置。右側是與AB輸入相關的0和1的四種組合：“00”、“01”、“11”和“10”。請務必注意，這四種組合是以格雷碼形式進行排列，這樣就可以讓我們從一個值移到相鄰值時，只會有一位發(fā)生變化。這是卡諾圖運作的關鍵。

在二進制代碼中，當從01過渡到10時，會有兩位發(fā)生變化。相比之下，如果查看格雷碼（01至11）中的相應轉換，則只有一位發(fā)生變化。

此外，請注意二進制代碼的最后一行。如果要從這一行轉而過渡到第一行（11到00），那么就會再次有兩位發(fā)生變化。但是，如果查看格雷碼中的相應行（10到00），則會再次看到只有一位發(fā)生變化。

好了，現(xiàn)在來填充卡諾圖。這一步是向方程式中的乘積項所對應的每個方框中填入1。這里再次按照下面的步驟逐步填寫（圓圈中的小數(shù)字1到6與初始方程式中的乘積項相對應）：

這里需要注意的另一點是，不需要真值表即可填充卡諾圖。這里要做的只是沿著方程式一項一項來，對每個乘積項在對應的卡諾圖“方框”中填入1。

下一步是使用卡諾圖來化簡邏輯表達式。從上面的最終卡諾圖（f）可以立即看出，可以將其簡化為三個項。像往常一樣，我們一次一次地完成每一步。

觀察下圖中用紅色圈出的兩個1，我們知道，這兩種情況下的輸出均為1。對于這兩個框中的每個框都有A=0，C=1，因此這兩個值很重要。但是，這兩個框中有一個是B=0，另一個則是B=1。這就是說，只要A=0，C=1，那么我們就不在乎B是0還是1。

接下來看一下下圖中用紅色圈出的第二組兩個1。對于這兩個框中的每個框都有A=1，C=0，因此這兩個值很重要。但是，這兩個框中也是有一個是B=0，另一個是B=1。這就是說，只要A=1，C=0，那么我們就不在乎B是0還是1。

最后但同樣重要的是，下面來看一下下圖中用紅色圈出的一組四個1（卡諾圖的技巧之一是可以將相同的1用作多個組的一部分）。

在這種情況下，這四個框中有兩個框是A=0，另外兩個框則是A=1，這就是說我們不在乎A是0還是1。類似地，這四個框中有兩個框是C=0，另外兩個框是C=1，因此我們就不在乎C是0還是1。實際上，對于所有這四個框而言，唯一恒定的輸入是B，它始終為1。

這樣，就可以使用卡諾圖最簡表達式來編寫優(yōu)化的乘積和方程，如下所示：

由此就可以使用非門、與門和或門輕松繪制相應的門級原理圖，如下所示：

至此，我知道你會跟我說我們沒有使用!B信號（這里使用“!”字符來表示非B，因為在文本里在字母上畫一條橫線有點難），但我們將在不久的將來使用它。說到這，未來比你想象的要近。這是我們必須考慮的重點，因為那位令人討厭的老師他所布置的作業(yè)是只使用與非門或或非門來展示最終電路。

使用與非門或或非門實現(xiàn)非門

讓我們從容易的開始，先解決本例中的三個非門。首先我們先回憶一下，五種常見基本門的真值表如下所示：

也就是說，如果將與非門的輸入捆綁（連接）在一起，那么得到的功能就是非門。如果將或非門的輸入捆綁在一起，那么得到的結果也相同。也就是說，以下功能相同：

對與門、或門、與非門和或非門進行德·摩根變換

奧古斯都·德·摩根（Augustus DeMorgan，1806至1871年）是喬治·布爾（George Boole）的同齡人。他在符號邏輯領域做出了重大貢獻，尤其是我們現(xiàn)在在用的一組規(guī)則——德·摩根變換。

為了對布爾表達式進行德·摩根變換，需要按以下步驟進行：

1.將所有的與運算符換成或運算符，反之亦然。

2.將所有的輸入變量反轉，也可將任何0換成1，反之亦然。

3.將整個函數(shù)反轉。

4.減少任何多次反轉。

一般而言，我們傾向于對多項式進行德·摩根變換，但是也可以對單個門進行變換，這樣就得到以下結論：

我不了解你，所以沒辦法解釋，但是在查看了上面的德·摩根變換后，我感覺很滿意，并且感覺在（邏輯）世界中一切都是對的。

只使用與非門來表示電路

老實說，現(xiàn)在我們已奠定了基礎，這個部分非常容易。讓我們回憶下，使用非門、與門和或門實現(xiàn)的電路是什么樣的：

我對它們進行了顏色編碼，以便讓我們清楚了解自己在做什么。下面就來做出決定，我們只希望使用與非門。因此，使用前面討論的所有內容，就可以將非門、或門和與門換成與非門。

和往常一樣，我們一步步來做。首先從左邊用粉紅色表示的三個非門開始。我們知道，可以將這三個門中的每一個換成一個2輸入與非門（它們的輸入是捆綁在一起），所以這里沒有問題。

接下來來研究電路右側用綠色表示的3輸入或門。根據(jù)德·摩根變換，我們知道，可以用一個3輸入與非門（其輸入帶有非門）來代替它，如下所示。

當然，可以將這三個非門中的每一個再次用一個2輸入與非門來替換，如下所示：

因此，現(xiàn)在只需要考慮電路中間兩個用藍色表示的與門了。當然，德·摩根變換在這里幫不上忙，因為與門的等效電路是將或非門的所有輸入都加上非門，但這個作業(yè)不允許我們使用或非門。

有時，我們傾向于使事情變得比所需要的更復雜。在這種情況下，要做的就是記住，與門實際上是由與非門后接一個非門形成的（同樣，或門是由或非門后接一個非門所組成）。也就是說，可以像下面這樣來替換與門：

當然，由于作業(yè)要求只使用與非門，因此必須將非門替換成其等效的2輸入與非門，如下所示：

現(xiàn)在，萬事大吉了。因此，如果把上述所有變換結合起來，那么只使用與非門的實現(xiàn)就如下所示：

雖然上面的電路可以執(zhí)行所需的功能，但是這里有幾個門浪費了，因為如下面用紅色框框出的部分所示，有兩個地方出現(xiàn)了非門接非門的情況（當然都是用與非門來實現(xiàn)）：

每當以非函數(shù)形式出現(xiàn)偶數(shù)次反轉時，都可以用一條簡單的線來代替它們。因此，稍作修改就得到如下所示的最終電路：

如果非門、與非門和或非門分別等于一級延遲，與門和或門分別等于兩級延遲，那么在最初的非門、與門和或門電路實現(xiàn)中，最壞情況的輸入到輸出路徑就等于1+2+2=5級延遲。相比之下，經(jīng)過優(yōu)化的只使用與非門的實現(xiàn)則僅會發(fā)生最多1+1+1=3級延遲。

再說一次，如果有任何學生正在閱讀本文，只是為了確保你100%掌握以上所有內容，建議你以以上討論為基礎創(chuàng)建只使用或非門的實現(xiàn)。在此期間，歡迎提出任何意見和問題，也希望能有更多有經(jīng)驗的讀者愿意分享任何相關的提示與技巧。
編輯：hfy