組合邏輯電路中的危害

本文介紹開發(fā)組合邏輯電路時(shí)可能發(fā)生的意外開關(guān)事件，稱為危險(xiǎn)。

本文是關(guān)于使用邏輯門進(jìn)行組合電路設(shè)計(jì)和仿真的介紹性系列文章的第二部分。在上一篇文章中，我們介紹了 組合邏輯電路 以及如何簡(jiǎn)化它們。

在這里，我們將探討靜態(tài) 0 危害、靜態(tài) 1 危害和動(dòng)態(tài)危害。

什么是邏輯危險(xiǎn)？

在復(fù)雜的邏輯電路中，輸出端可能會(huì)出現(xiàn)不需要的臨時(shí)開關(guān)事件。圖1顯示了組合邏輯電路中可能發(fā)生的三種危險(xiǎn)：

靜態(tài) 0 危險(xiǎn)： 輸出在本應(yīng)保持 0 時(shí)暫時(shí)更改為 1

靜態(tài) 1 種危險(xiǎn)： 輸出在本應(yīng)保持 1 時(shí)暫時(shí)更改為 0

動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)： 輸出在應(yīng)該進(jìn)行單個(gè)邏輯轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)多次更改;從 0 到 1 或從 1 到 0

圖1. 三種類型的組合邏輯危害

讓我們檢查圖2中的簡(jiǎn)單電路，看看靜態(tài)0危險(xiǎn)是如何產(chǎn)生的。

圖2. 具有靜態(tài)0-危險(xiǎn)的組合邏輯電路

我們假設(shè)所有門都具有相同的傳播延遲時(shí)間常數(shù) d。在圖3的時(shí)序圖中，輸入a = b = 0。輸入 c 從邏輯 0 變?yōu)?1 后的一個(gè)柵極延遲，輸出 c‘

和 x 的狀態(tài)也發(fā)生變化。由于 x 和 y 現(xiàn)在（暫時(shí)）都設(shè)置為 1，這會(huì)導(dǎo)致最終輸出 f 從 0 變?yōu)?1 的后續(xù)變化。

但是，當(dāng)輸出 f 的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其輸入 y 也會(huì)發(fā)生變化，從 1 到 0。在 y 的這種變化通過(guò)最終門傳播后，輸出 f

返回到其最終狀態(tài)零。

以下是靜態(tài) 0 危害的示例：

圖3. 顯示靜態(tài) 0 危險(xiǎn)時(shí)的序圖

如果我們查看圖2電路的Karnaugh圖，我們可以看到靜態(tài)0危險(xiǎn)的機(jī)會(huì)。對(duì)于 0

輸出，有兩個(gè)相鄰但不相交的最小項(xiàng)，由藍(lán)色和棕褐色陰影突出顯示。對(duì)于和邏輯函數(shù)的乘積，共享最小項(xiàng)未覆蓋的任何兩個(gè)相鄰零都可能導(dǎo)致靜態(tài) 0 危險(xiǎn)。

圖4. 顯示靜態(tài)-0危害的卡諾地圖

使用和的乘積從中推導(dǎo)出的邏輯函數(shù)為：

當(dāng) a 和 b 均為 0 時(shí)，輸入 c 可以在 0 和 1 狀態(tài)之間更改，而無(wú)需更改 f

的“最終”值。但是，由于某些電路實(shí)現(xiàn)的傳播延遲不同，因此可能存在靜態(tài)0危險(xiǎn)。

修復(fù)組合邏輯電路中的靜電危害

我們可以消除圖2電路中的靜態(tài)-0危害，方法是在兩個(gè)相鄰項(xiàng)周圍添加一個(gè)額外的分組，如圖5中的紅色突出顯示框所示。

圖5. 用于消除靜態(tài) 0 危害的 Karnaugh 地圖分組

新的邏輯函數(shù)是：

從純數(shù)字邏輯的角度來(lái)看，序列中的第三個(gè)和項(xiàng)是不必要的。但是，當(dāng) a 和 b 均為 0 時(shí)，這個(gè)額外的總和 保持為 0。因此，它不受先前導(dǎo)致靜態(tài)-0危害的c變化的影響。

使用這種冗余邏輯，我們可以創(chuàng)建一個(gè)執(zhí)行相同邏輯功能的新電路，但沒有靜態(tài)0危險(xiǎn)。這個(gè)新電路如圖6所示。

圖6. 消除靜態(tài)0危險(xiǎn)的組合邏輯電路

發(fā)現(xiàn)并消除靜態(tài)-1危害

識(shí)別和修復(fù)靜態(tài) 1 危害與靜態(tài) 0 危害基本相同。使用 Karnaugh 映射查找未被同一最小項(xiàng)覆蓋的相鄰邏輯 1 輸出。對(duì)于發(fā)現(xiàn)的每個(gè)相鄰的 1

組合，添加一個(gè)額外的分組以消除潛在危險(xiǎn)。

異步邏輯與同步邏輯

與危險(xiǎn)相關(guān)的瞬態(tài)脈沖問題在同步電路中很少成為問題。它們旨在在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)留出足夠的時(shí)間來(lái)解決靜態(tài)和動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)的毛刺。

另一方面，可以立即響應(yīng)信號(hào)變化的異步邏輯電路可能會(huì)受到很大影響。例如，等待響應(yīng)正 0 到 1 邏輯轉(zhuǎn)換的異步邏輯電路會(huì)在圖 3

的時(shí)序圖中錯(cuò)誤地做出反應(yīng)。即使在主要同步設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)復(fù)位和當(dāng)前信號(hào)通常也是異步的，因此容易受到危險(xiǎn)的影響。