這篇文章分為三個(gè)部分，解讀某個(gè)學(xué)生在EDN姐妹媒體EEWeb論壇上所提出的一個(gè)問(wèn)題，其核心如下：他的老師布置了一個(gè)布爾方程式；然后要求他創(chuàng)建相應(yīng)的真值表；然后再告訴他要進(jìn)行卡諾圖化簡(jiǎn)；最后要他必須只使用與非（NAND）門或只使用或非（NOR）門來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(wèn)題。接下來(lái)就是更詳細(xì)地研究這個(gè)學(xué)生的特定問(wèn)題，并將其轉(zhuǎn)換成最初的與或解決方案。然后，就是考慮將與或電路轉(zhuǎn)換為與非-或非對(duì)應(yīng)電路的一般概念。最后，就是用所學(xué)的知識(shí)來(lái)解決這個(gè)學(xué)生的最初問(wèn)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(huì)要求他的學(xué)生只使用與非門或只使用或非門來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)？（請(qǐng)注意，我特地不說(shuō)“只使用與非門或或非門”，因?yàn)檫@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(xué)生可能對(duì)此感到驚訝，但不一定就說(shuō)明老師是個(gè)不成功的人，他生活中唯一的樂(lè)趣就是去折磨學(xué)生。話雖這么說(shuō)，但回想起我自己還是一名學(xué)生的日子，我們最好不要實(shí)際排除這種可能的動(dòng)機(jī)。

我不由自主地想到老師給學(xué)生布置這個(gè)作業(yè)可能有以下原因：

1.給出一個(gè)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(xué)生將其轉(zhuǎn)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(xué)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(xué)生了解德·摩根變換之類的內(nèi)容。

2.如果你想使用簡(jiǎn)單的邏輯器件——例如包含六個(gè)非門或四個(gè)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(lái)設(shè)計(jì)印制電路板（PCB），而你可能正好沒(méi)有與門之類的東西，但是碰巧有一個(gè)與非門和一個(gè)非門備用（或者可能是一個(gè)或門和三個(gè)非門），那么在這種情況下，你對(duì)邏輯門的理解就可能扭轉(zhuǎn)局面。

3.最簡(jiǎn)單的邏輯門是非門。假設(shè)是CMOS電路，那么一個(gè)非門需要兩個(gè)晶體管。與非門和或非門要復(fù)雜一些，這兩種門每種包含四個(gè)晶體管。然后是與門和或門，這兩種門每種包含六個(gè)晶體管。也就是說(shuō)，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(guān)于上一點(diǎn)，與門實(shí)際上是由一個(gè)與非門后接一個(gè)非門構(gòu)成的（同樣，或門是由一個(gè)或非門后接一個(gè)非門所組成）。除了使用4+2=6個(gè)晶體管外，這還說(shuō)明與門（和或門）具有兩級(jí)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(huì)運(yùn)行得更快。

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

實(shí)際上，現(xiàn)在已很少有人在門級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。取而代之的是以較高層級(jí)的抽象捕獲設(shè)計(jì)，然后使用邏輯綜合引擎生成相應(yīng)的門級(jí)等效設(shè)計(jì)。這說(shuō)明上述第2點(diǎn)到第4點(diǎn)不再像以前那樣重要。

你可以爭(zhēng)辯說(shuō)，第1點(diǎn)也是如此，但我不太同意。我的想法是，它類似于使用計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算的概念。如果你有一個(gè)計(jì)算器，那你實(shí)際上就不需要知道如何對(duì)整數(shù)、實(shí)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行加減乘除運(yùn)算，但是，如果你掌握了這類知識(shí)，那么當(dāng)你計(jì)算器的電池沒(méi)電時(shí)，它就可以派上用場(chǎng)。同樣，盡管你可能不需要每天處理布爾結(jié)構(gòu)，但是在需要時(shí)知道如何處理就會(huì)非常方便。

思考問(wèn)題

所以，下面是那個(gè)學(xué)生給我的。他首先說(shuō)，老師向班級(jí)展示了以下方程式：

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

好吧，我不得不告訴他，我對(duì)他遇到的問(wèn)題一點(diǎn)都不感到驚訝，因?yàn)樵谒姆匠淌嚼镉辛鶄€(gè)乘積項(xiàng)，每個(gè)乘積項(xiàng)在他的真值表的輸出列中都應(yīng)該有一個(gè)對(duì)應(yīng)的1，但是實(shí)際上，他的真值表的輸出列中只有五個(gè)1。

我對(duì)這個(gè)情況進(jìn)行了反復(fù)考慮，我認(rèn)為潛在的問(wèn)題是他缺乏對(duì)基本原理的理解。還有一點(diǎn)是，如果有一個(gè)學(xué)生感到困惑，那么就很可能不止他一個(gè)人。最后但同樣重要的是，我記得我剛開始時(shí)有點(diǎn)困惑不解，所以我會(huì)花一點(diǎn)時(shí)間逐步解決這個(gè)問(wèn)題（如果你感到無(wú)聊，請(qǐng)隨時(shí)跳過(guò)；或者，你也可以隨時(shí)試著發(fā)現(xiàn)我可能引入的任何故意的錯(cuò)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(duì)乘積項(xiàng)進(jìn)行編號(hào)，以便可以對(duì)我們所處的位置和所做的事進(jìn)行跟蹤（如果我們是來(lái)真的，那么就不必費(fèi)心對(duì)乘積項(xiàng)進(jìn)行編號(hào)）：

下一步是創(chuàng)建真值表?？梢詮囊詷?biāo)準(zhǔn)二進(jìn)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(gè)乘積項(xiàng)相對(duì)應(yīng)的六個(gè)1加起來(lái)，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(diǎn)是，將方程式轉(zhuǎn)換為真值表確實(shí)一點(diǎn)也不困難。話雖如此，但無(wú)論誰(shuí)這樣做，都必須了解這個(gè)過(guò)程背后的基本邏輯。再看一下這個(gè)方程式，其本質(zhì)可以這樣來(lái)表達(dá)：“如果第一個(gè)乘積項(xiàng)（第一個(gè)與函數(shù)）為真，則輸出為真（邏輯1），或者如果第二乘積項(xiàng)為真，則輸出為真，或者如果第三乘積項(xiàng)為真……）。這就是為什么可以在與每個(gè)乘積項(xiàng)相對(duì)應(yīng)的輸出列中簡(jiǎn)單地填寫1——如果這些乘積項(xiàng)中的任何一項(xiàng)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(gè)輸入，因此可以使用兩種方法（方案）來(lái)做這一步，如下所示：

選擇使用哪種方案都沒(méi)有關(guān)系。這兩種情況下答案都是相同的（如果不是，那就確實(shí)有問(wèn)題）。這里使用方案1，這種方法我比較喜歡。如果有任何學(xué)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(jìn)行重做，以便確保你真正了解這個(gè)過(guò)程。

查看卡諾圖方案1，觀察“AB”所處的位置。右側(cè)是與AB輸入相關(guān)的0和1的四種組合：“00”、“01”、“11”和“10”。請(qǐng)務(wù)必注意，這四種組合是以格雷碼形式進(jìn)行排列，這樣就可以讓我們從一個(gè)值移到相鄰值時(shí)，只會(huì)有一位發(fā)生變化。這是卡諾圖運(yùn)作的關(guān)鍵。

在二進(jìn)制代碼中，當(dāng)從01過(guò)渡到10時(shí)，會(huì)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(yīng)轉(zhuǎn)換，則只有一位發(fā)生變化。

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

好了，現(xiàn)在來(lái)填充卡諾圖。這一步是向方程式中的乘積項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的每個(gè)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(xiàng)相對(duì)應(yīng)）：

這里需要注意的另一點(diǎn)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(xiàng)一項(xiàng)來(lái)，對(duì)每個(gè)乘積項(xiàng)在對(duì)應(yīng)的卡諾圖“方框”中填入1。

下一步是使用卡諾圖來(lái)化簡(jiǎn)邏輯表達(dá)式。從上面的最終卡諾圖（f）可以立即看出，可以將其簡(jiǎn)化為三個(gè)項(xiàng)。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(gè)1，我們知道，這兩種情況下的輸出均為1。對(duì)于這兩個(gè)框中的每個(gè)框都有A=0，C=1，因此這兩個(gè)值很重要。但是，這兩個(gè)框中有一個(gè)是B=0，另一個(gè)則是B=1。這就是說(shuō)，只要A=0，C=1，那么我們就不在乎B是0還是1。

接下來(lái)看一下下圖中用紅色圈出的第二組兩個(gè)1。對(duì)于這兩個(gè)框中的每個(gè)框都有A=1，C=0，因此這兩個(gè)值很重要。但是，這兩個(gè)框中也是有一個(gè)是B=0，另一個(gè)是B=1。這就是說(shuō)，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(lái)看一下下圖中用紅色圈出的一組四個(gè)1（卡諾圖的技巧之一是可以將相同的1用作多個(gè)組的一部分）。

在這種情況下，這四個(gè)框中有兩個(gè)框是A=0，另外兩個(gè)框則是A=1，這就是說(shuō)我們不在乎A是0還是1。類似地，這四個(gè)框中有兩個(gè)框是C=0，另外兩個(gè)框是C=1，因此我們就不在乎C是0還是1。實(shí)際上，對(duì)于所有這四個(gè)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(jiǎn)表達(dá)式來(lái)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(yīng)的門級(jí)原理圖，如下所示：

至此，我知道你會(huì)跟我說(shuō)我們沒(méi)有使用!B信號(hào)（這里使用“!”字符來(lái)表示非B，因?yàn)樵谖谋纠镌谧帜干袭嬕粭l橫線有點(diǎn)難），但我們將在不久的將來(lái)使用它。說(shuō)到這，未來(lái)比你想象的要近。這是我們必須考慮的重點(diǎn)，因?yàn)槟俏涣钊擞憛挼睦蠋熕贾玫淖鳂I(yè)是只使用與非門或或非門來(lái)展示最終電路。

使用與非門或或非門實(shí)現(xiàn)非門

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

也就是說(shuō)，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(jié)果也相同。也就是說(shuō)，以下功能相同：

對(duì)與門、或門、與非門和或非門進(jìn)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(hào)邏輯領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)，尤其是我們現(xiàn)在在用的一組規(guī)則——德·摩根變換。

為了對(duì)布爾表達(dá)式進(jìn)行德·摩根變換，需要按以下步驟進(jìn)行：

1.將所有的與運(yùn)算符換成或運(yùn)算符，反之亦然。

2.將所有的輸入變量反轉(zhuǎn)，也可將任何0換成1，反之亦然。

3.將整個(gè)函數(shù)反轉(zhuǎn)。

4.減少任何多次反轉(zhuǎn)。

一般而言，我們傾向于對(duì)多項(xiàng)式進(jìn)行德·摩根變換，但是也可以對(duì)單個(gè)門進(jìn)行變換，這樣就得到以下結(jié)論：

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

只使用與非門來(lái)表示電路

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

我對(duì)它們進(jìn)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(lái)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(nèi)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(lái)做。首先從左邊用粉紅色表示的三個(gè)非門開始。我們知道，可以將這三個(gè)門中的每一個(gè)換成一個(gè)2輸入與非門（它們的輸入是捆綁在一起），所以這里沒(méi)有問(wèn)題。

接下來(lái)來(lái)研究電路右側(cè)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(gè)3輸入與非門（其輸入帶有非門）來(lái)代替它，如下所示。

當(dāng)然，可以將這三個(gè)非門中的每一個(gè)再次用一個(gè)2輸入與非門來(lái)替換，如下所示：

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

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

當(dāng)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(wàn)事大吉了。因此，如果把上述所有變換結(jié)合起來(lái)，那么只使用與非門的實(shí)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(gè)門浪費(fèi)了，因?yàn)槿缦旅嬗眉t色框框出的部分所示，有兩個(gè)地方出現(xiàn)了非門接非門的情況（當(dāng)然都是用與非門來(lái)實(shí)現(xiàn)）：

每當(dāng)以非函數(shù)形式出現(xiàn)偶數(shù)次反轉(zhuǎn)時(shí)，都可以用一條簡(jiǎn)單的線來(lái)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(jí)延遲，與門和或門分別等于兩級(jí)延遲，那么在最初的非門、與門和或門電路實(shí)現(xiàn)中，最壞情況的輸入到輸出路徑就等于1+2+2=5級(jí)延遲。相比之下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的只使用與非門的實(shí)現(xiàn)則僅會(huì)發(fā)生最多1+1+1=3級(jí)延遲。

再說(shuō)一次，如果有任何學(xué)生正在閱讀本文，只是為了確保你100%掌握以上所有內(nèi)容，建議你以以上討論為基礎(chǔ)創(chuàng)建只使用或非門的實(shí)現(xiàn)。在此期間，歡迎提出任何意見(jiàn)和問(wèn)題，也希望能有更多有經(jīng)驗(yàn)的讀者愿意分享任何相關(guān)的提示與技巧。
編輯：hfy