时序逻辑电路数字电子技术基础课件.ppt
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1、第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 6.1 6.1 概述概述6.2 6.2 时序逻辑电路的分析方法时序逻辑电路的分析方法6.3 6.3 若干常用的时序逻辑电路若干常用的时序逻辑电路6.4 6.4 时序逻辑电路的设计方法时序逻辑电路的设计方法6.5 6.5 时序逻辑电路的竞争冒险时序逻辑电路的竞争冒险第六章第六章 时序逻辑电路时序逻辑电路第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 6.1 概述概述 一、一、时序逻辑电路的定义时序逻辑电路的定义 逻辑电路分为两类:一类是逻辑电路分为两类:一类是组合逻辑组合逻辑电路,电路,另一类是另一类是时序逻辑时序逻辑电路。在组合逻辑电路中,任电路。在组合逻辑
2、电路中,任一时刻的输出仅与该时刻输入变量的取值有关,一时刻的输出仅与该时刻输入变量的取值有关,而与输入变量的历史情况无关;在时序逻辑电路而与输入变量的历史情况无关;在时序逻辑电路中,任一时刻的输出不仅与该时刻输入变量的取中,任一时刻的输出不仅与该时刻输入变量的取值有关,而且与电路的原值有关,而且与电路的原状态,即与过去的输入状态,即与过去的输入情况有关。情况有关。第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 一、时序逻辑电路的特点一、时序逻辑电路的特点1. 功能上:功能上:任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入,任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入,还与电路原来的状态有关还与电路原来的状态有关。2.
3、 电路结构上电路结构上包含存储电路和组合电路;包含存储电路和组合电路;存储器状态和输入变量共同决存储器状态和输入变量共同决定输出。定输出。例:串行加法器,两个多位数从低位到高位逐位相加。例:串行加法器,两个多位数从低位到高位逐位相加。第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 二、时序电路的一般结构形式与功能描述方法二、时序电路的一般结构形式与功能描述方法时序电路的一般结构形式如下:时序电路的一般结构形式如下:第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 三、时序电路的分类三、时序电路的分类1. 同步时序电路与异步时序电路同步时序电路与异步时序电路同步:同步:存储电路中所有触发器的时钟使用统一的存储
4、电路中所有触发器的时钟使用统一的clk,状态变化发生在同一时刻。状态变化发生在同一时刻。异步:异步:没有统一的没有统一的clk,触发器状态的变化有先有后。触发器状态的变化有先有后。2. Mealy型和型和Moore型型Mealy型:型: Moore型:型: 仅取决于电路状态有关、与);();,(QFYQXQXFY时序电路在工作时是在电路的有限个状态间按一定规律转换时序电路在工作时是在电路的有限个状态间按一定规律转换的,又将时序电路称为状态机(的,又将时序电路称为状态机(SM)或算法状态机()或算法状态机(ASM)。)。第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 6.2 时序电路的分析方法时序电路
5、的分析方法6.2.1 同步时序电路的分析方法同步时序电路的分析方法分析:找出给定时序电路的逻辑功能分析:找出给定时序电路的逻辑功能,即找出在输入即找出在输入和和CLK作用下,电路的次态和输出。作用下,电路的次态和输出。一般步骤:一般步骤:从给定电路写出存储电路中每个触发器的驱动方程从给定电路写出存储电路中每个触发器的驱动方程(输入的逻辑式),得到整个电路的(输入的逻辑式),得到整个电路的驱动方程。驱动方程。将驱动方程代入触发器的特性方程,得到将驱动方程代入触发器的特性方程,得到状态方程。状态方程。从给定电路写出从给定电路写出输出方程。输出方程。第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 一、状态
6、转换表:一、状态转换表:6.2.2 时序电路的状态转换表、状态转换图、状态机时序电路的状态转换表、状态转换图、状态机流程图和时序图流程图和时序图 若将任何一组输入变量及电路初态的取值代入状态若将任何一组输入变量及电路初态的取值代入状态方程和输出方程,即可算出电路的次态和现态下的取值;方程和输出方程,即可算出电路的次态和现态下的取值;以得到的次态作为新的初态,和这时的输入变量取值一以得到的次态作为新的初态,和这时的输入变量取值一起再代入状态方程和输出方程进行计算,又得到一组新起再代入状态方程和输出方程进行计算,又得到一组新的次态和输出值。如此继续,将全部计算结果列成真值的次态和输出值。如此继续,
7、将全部计算结果列成真值表的形式,就得到了状态转换表。表的形式,就得到了状态转换表。例:列电路的例:列电路的状态装换表。状态装换表。第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 二、状态转换图二、状态转换图 状态转换图状态转换图是用图形方式来描述触发器的状态是用图形方式来描述触发器的状态转移规律。转移规律。 图中两个图中两个圆圈圆圈分别表示触发器的两个分别表示触发器的两个稳稳定状态定状态,箭头箭头表示在输入信号作用下状态转移的表示在输入信号作用下状态转移的方方向向,箭头旁的标注表示转移条件。箭头旁的标注表示转移条件。 第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 三、状态机流程图(三、状态机流程图(St
8、ate Machine Chart) 时序电路逻辑功能的另一种描述形式称为状时序电路逻辑功能的另一种描述形式称为状态机流程图,简称态机流程图,简称SM图,也有叫图,也有叫ASM图的图的。 SM图类似于计算机程序流程图,表示在一系图类似于计算机程序流程图,表示在一系列时钟脉冲作用下时序电路状态转换以及每个状列时钟脉冲作用下时序电路状态转换以及每个状态下的输入输出。因此,可以理解为它是状态转态下的输入输出。因此,可以理解为它是状态转换图按时钟信号展开的一种形式,能够更直观地换图按时钟信号展开的一种形式,能够更直观地表示时序电路的运行过程。表示时序电路的运行过程。 SM图中的图形符号:状态框、判断框
9、和条件图中的图形符号:状态框、判断框和条件输出框。输出框。第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 四、时序图四、时序图时序图即前面介绍的波形图,如下图所示。时序图即前面介绍的波形图,如下图所示。第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 例:时序电路如例:时序电路如图,试分析其逻图,试分析其逻辑功能。辑功能。212111QQADQD驱动方程:)(212112QQAQDQ*)(状态方程:212121213QQAQQAQQAQQAY )()()(输出方程:第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 (4)列状态转换表:)列状态转换表:00011011001/010/011/000/1111/100/
10、001/010/0AYQQ*1212QQ(5)状态转换图)状态转换图第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 6.3 若干常用的时序逻辑电路若干常用的时序逻辑电路6.3.1 寄存器和移位寄存器寄存器和移位寄存器改变随高电平期间DQclk用于寄存一组二值代码,用于寄存一组二值代码,N位寄存器由位寄存器由N个触发器组成,个触发器组成,可存放一组可存放一组N位二值代码。位二值代码。只要求其中每个触发器可置只要求其中每个触发器可置1 1,置,置0 0。例寄存器。例寄存器74LS75 74LS75 。第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 例:用维例:用维-阻触发器结构的寄存器阻触发器结构的寄存器74
11、HC175。功能。有异步置状态无关,与此前后的存入,时,将01757430DDDCLKHC第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 二二、 移位寄存器移位寄存器(代码在寄存器中左(代码在寄存器中左/右移动)右移动) 移位寄存器是既能寄存数码,又能在时钟脉冲的移位寄存器是既能寄存数码,又能在时钟脉冲的作用下使数码向高位或向低位移动的逻辑功能部件。作用下使数码向高位或向低位移动的逻辑功能部件。按移动方式分按移动方式分单向移位寄存器单向移位寄存器双向移位寄存器双向移位寄存器左移位寄存器左移位寄存器移位寄存器的逻辑功能分类移位寄存器的逻辑功能分类移位寄存器的逻辑功移位寄存器的逻辑功能能右移位寄存器右移
12、位寄存器第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 具有存储具有存储 + 移位功能移位功能态翻转前一级触发器原来的状到达时,各触发器按所以触发器有延迟时间因为CLKtpd位数据依次右移 1第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 数据运算并代码转换,串应用:第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 6.3 .2 计数器计数器 计数器的主要功能是计数器的主要功能是累计输入脉冲的个数累计输入脉冲的个数。它。它不仅可以用来不仅可以用来计数、计数、 分频分频, 还可以对系统进行还可以对系统进行定时、定时、顺序控制顺序控制等,等, 是数字系统中应用最广泛的时序逻辑是数字系统中应用最广泛的时序逻辑部件之一。
13、计数器是一个部件之一。计数器是一个周期性周期性的时序电路,其状的时序电路,其状态图有一个态图有一个闭合环闭合环,闭合环循环一次所需要的时钟,闭合环循环一次所需要的时钟脉冲的个数称为计数器的脉冲的个数称为计数器的模值模值M。由。由n个触发器构成个触发器构成的计数器,其模值的计数器,其模值M应满足应满足2n-1M2n。计数器的功能和分类计数器的功能和分类1. 计数器的功能计数器的功能第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 2. 计数器的分类计数器的分类按按时钟控制方式时钟控制方式来分来分: :同步计数器和异步计数器。同步计数器和异步计数器。按计数过程中数值的按计数过程中数值的增减增减来分来分:加
14、法计数器、减加法计数器、减法计数器和可逆计数器。法计数器和可逆计数器。有时也用计数器的计数容量有时也用计数器的计数容量( (或称模数或称模数) )来区分来区分各种不同的计数器,如十进制计数器、十六进各种不同的计数器,如十进制计数器、十六进制计数器等。制计数器等。按按编码方式编码方式来分来分:二进制、十进值等二进制、十进值等。第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 N进制计数器:逢进制计数器:逢N进进1。即经过。即经过N个脉冲后又回个脉冲后又回到原状态到原状态一、一、 同步计数器同步计数器 在同步计数器中,各个触发器都受同一时钟脉在同步计数器中,各个触发器都受同一时钟脉冲冲输入计数脉冲的控制,
15、因此,它们状态的更输入计数脉冲的控制,因此,它们状态的更新几乎是同时的,故被称为新几乎是同时的,故被称为 “ “ 同步计数器同步计数器 ” ”。 目前生产的同步计数器芯片基本上分为二进制目前生产的同步计数器芯片基本上分为二进制和十进制两种。和十进制两种。1 1)同步加法器)同步加法器1.1.同步二进制计数器同步二进制计数器第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 原理:根据二进制加法运原理:根据二进制加法运算规则可知:在多位二算规则可知:在多位二进制数末位加进制数末位加1,若第,若第i位以下皆为位以下皆为1时,则第时,则第i位应翻转。位应翻转。 由此得出规律,若由此得出规律,若用用T触发器构成
16、计数器,触发器构成计数器,则第则第i位触发器输入端位触发器输入端Ti的逻辑式应为:的逻辑式应为:10021TQQQTiii.第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 10021TQQQTiii.21031020101QQQTQQTQTT32103210321021021010100)(*)(*QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ3210QQQQC 输出方程为第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 状态转换表略。状态转换表略。状态转换图和波形图状态转换图和波形图如下:如下:第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 2 2)同步二进制减法计数器同步二进制减法计数器原理:根据二进制减法运
17、算原理:根据二进制减法运算规则可知:在多位二进规则可知:在多位二进制数末位减制数末位减1,若第,若第i位位以下皆为以下皆为0时,则第时,则第i位位应翻转。应翻转。 由此得出规律,若用由此得出规律,若用T触发器构成计数器,则触发器构成计数器,则第第i位触发器输入端位触发器输入端Ti的的逻辑式应为:逻辑式应为:10021TQQQTiii.第第6 6章章 时序逻辑电路时序逻辑电路 3 3)同步加减计数器同步加减计数器加/减计数器加加/ /减减计数结果计数结果加/减计数器计数结果计数结果两种解决方案两种解决方案: :加加/ /减控制线选择;减控制线选择;输入控制,按触发器状态进行翻转。输入控制,按触发
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