4.2.2 组合电路和 HCL 布尔表达式

将很多的逻辑门组合成一个网，就能构建计算块（computational block），称为组合电路（combinational circuits）。如何构建这些网有几个限制：

每个逻辑门的输入必须连接到下述选项之一：1）一个系统输入（称为主输入），2）某个存储器单元的输出，3）某个逻辑门的输出。
两个或多个逻辑门的输出不能连接在一起。否则它们可能会使线上的信号矛盾，可能会导致一个不合法的电压或电路故障。
这个网必须是无环的。也就是在网中不能有路径经过一系列的门而形成一个回路，这样的回路会导致该网络计算的函数有歧义。

图 4-10 是一个我们觉得非常有用的简单组合电路的例子。它有两个输入 a 和 b，有唯一的输出 eq，当 a 和 b 都是 1（从上面的 AND 门可以看出）或都是 0（从下面的 AND 门可以看出）时，输出为 1。用 HCL 来写这个网的函数就是：

bool eq = (a && b) || (!a && !b);

这段代码简单地定义了位级（数据类型 bool 表明了这一点）信号 eq，它是输入 a 和 b 的函数。从这个例子可以看出 HCL 使用了 C 语言风格的语法，= 将一个信号名与一个表达式联系起来。不过同 C 不一样，我们不把它看成执行了一次计算并将结果放入内存中某个位置。相反，它只是给表达式一个名字。

练习题 4.9 写出信号 xor 的 HCL 表达式，xor 就是异或，输入为 a 和 b。信号 xor 和上面定义的 eq 有什么关系？

图 4-11 给出了另一个简单但很有用的组合电路，称为多路复用器（multiplexor，通常称为 “MUX”）。多路复用器根据输入控制信号的值，从一组不同的数据信号中选出一个。在这个单个位的多路复用器中，两个数据信号是输入位 a 和 b，控制信号是输入位 s。当 s 为 1 时，输出等于 a；而当 s 为 0 时，输出等于 b。在这个电路中，我们可以看出两个 AND 门决定了是否将它们相对应的数据输入传送到 OR 门。当 s 为 0 时，上面的 AND 门将传送信号 b（因为这个门的另一个输入是 !s），而当 s 为 1 时，下面的 AND 门将传送信号 a。接下来，我们来写输出信号的 HCL 表达式，使用的就是组合逻辑中相同的操作：

bool out = (s && a) || (!s && b);

检测位相等的组合电路

图 4-10　检测位相等的组合电路。当输入都为 0 或都为 1 时，输出等于 1

单个位的多路复用器电路

图 4-11　单个位的多路复用器电路。如果控制信号 s 为 1，则输出等于输入 a；当 s 为 0 时，输出等于输入 b

HCL 表达式很清楚地表明了组合逻辑电路和 C 语言中逻辑表达式的对应之处。它们都是用布尔操作来对输入进行计算的函数。值得注意的是，这两种表达计算的方法之间有以下区别：

因为组合电路是由一系列的逻辑门组成，它的属性是输出会持续地响应输入的变化。如果电路的输入变化了，在一定的延迟之后，输出也会相应地变化。相比之下，C 表达式只会在程序执行过程中被遇到时才进行求值。
C 的逻辑表达式允许参数是任意整数，0 表示 FALSE，其他任何值都表示 TRUE。而逻辑门只对位值 0 和 1 进行操作。
C 的逻辑表达式有个属性就是它们可能只被部分求值。如果一个 AND 或 OR 操作的结果只用对第一个参数求值就能确定，那么就不会对第二个参数求值了。例如下面的 C 表达式：

(a && !a) && func(b,c)

这里函数 func 是不会被调用的，因为表达式 (a && !a) 求值为 0。而组合逻辑没有部分求值这条规则，逻辑门只是简单地响应输入的变化。