《数字逻辑设计》cha1课件.ppt
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1、2008.122008.12精选ppt1第第 7 章章 异步时序电路异步时序电路【课前思考】【课前思考】【学习指南】【学习指南】7.1异步时序电路的特点异步时序电路的特点7.2*脉冲异步时序电路脉冲异步时序电路7.3*电位异步时序电路电位异步时序电路7.4*电位异步时序电路综合中防范险象的措施电位异步时序电路综合中防范险象的措施7.5*解题示例解题示例【本章小结】【本章小结】星号表示非基本要求,属于选修。2008.122008.12精选ppt27.1 异步时序电路的特点异步时序电路的特点 因难度较大,许多因难度较大,许多EDA工具工具目前目前可能可能不支持不支持异步时序电路的异步时序电路的综合
2、综合。脉冲异步时序电路的应用远不及同步时序电路脉冲异步时序电路的应用远不及同步时序电路,电位异步时序电路电位异步时序电路:在在某些应用场合有其优越性某些应用场合有其优越性;侧重于从侧重于从理论上认识时序电路理论上认识时序电路。异步时序电路的异步时序电路的约束条件约束条件:各输入信号不允许同时发生变化,并且输入各输入信号不允许同时发生变化,并且输入信号第信号第 i 次变化引起电路的变化达到稳定后,才允许输入信号发生第次变化引起电路的变化达到稳定后,才允许输入信号发生第 (i+1)次变化。)次变化。同步时序电同步时序电路 异步时序电路异步时序电路 脉冲异脉冲异步步时序电路时序电路 电位异步电位异步
3、时序电路时序电路 组合逻辑电路组合逻辑电路 时序逻辑电路时序逻辑电路 逻辑电路逻辑电路 记忆元件也采用触发器,但不使用统一的时钟脉冲记忆元件也采用触发器,但不使用统一的时钟脉冲 记忆元件通常由带反馈的门电路组成,无时钟脉冲记忆元件通常由带反馈的门电路组成,无时钟脉冲 2008.122008.12精选ppt3早期的早期的二进制计数器(脉冲异步)二进制计数器(脉冲异步)较低位的触发器由较低位的触发器由1变变0时,引起较高位的触发器状态转换时,引起较高位的触发器状态转换2008.122008.12精选ppt4早期的二进制计数器(脉冲异步)早期的二进制计数器(脉冲异步)时序模拟波形:时序模拟波形:优缺
4、点:优缺点:优点:优点:硬件硬件省省;缺点:缺点:各触发器不在同一时刻发生状态转换各触发器不在同一时刻发生状态转换(行波进位)。(行波进位)。触发器的输出如果接译码器,译码器的输出会产生触发器的输出如果接译码器,译码器的输出会产生“毛刺毛刺”。速度速度慢慢。各触发器不在同一时刻发生状态转换各触发器不在同一时刻发生状态转换!2008.122008.12精选ppt57.2*脉冲异步时序电路脉冲异步时序电路 脉冲异步时序电路(脉冲异步时序电路(pulsed asynchronous sequential circuit)的记忆元件通常是由触发器组成的状态寄存器。的记忆元件通常是由触发器组成的状态寄存
5、器。各触发器的各触发器的时钟信号不是统一的时钟时钟信号不是统一的时钟,可以是经过组合逻,可以是经过组合逻辑电路产生的脉冲信号。辑电路产生的脉冲信号。为了使触发器可靠地工作,必须为了使触发器可靠地工作,必须保持时钟信号完整性保持时钟信号完整性,不允许有非预期的不允许有非预期的“毛刺毛刺”出现。出现。例如,在外部输入脉冲处于高电平的期间,不允许状态触发器的状态发生变化。2008.122008.12精选ppt6例例 7.1 脉冲异步时序电路的脉冲异步时序电路的分析分析 逻辑表达式逻辑表达式:x clk2 clk1 reset y2 y1 y2d1xclk11)(7y2d2y1xclk2不是同一个时钟
6、脉冲不是同一个时钟脉冲2008.122008.12精选ppt7例例 7.1 续续 根据式(根据式(7-1)列出电路的)列出电路的激励函数表激励函数表 y2d1xclk11)(7y2d2y1xclk22008.122008.12精选ppt8例例 7.1 续续 激励表激励表的另一种形式:的另一种形式:表表 7.2 激励函数表之二激励函数表之二 输入输入 现态现态 激励信号激励信号 reset x y2 y1 clk2 d2 clk1 d1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0
7、1 0 0 2008.122008.12精选ppt9例例 7.1 续续 激励表激励表 状态表状态表:2008.122008.12精选ppt10例例 7.1 续续状态表状态表 状态图状态图:状态图分析:状态图分析:电路开始工作前,令复位信号电路开始工作前,令复位信号reset=0,使初始状态使初始状态y2 y1=00。在输入脉冲在输入脉冲x负跳变时发生状态转换,在状态负跳变时发生状态转换,在状态00,01,11之间重复变之间重复变迁,由此可认为这是一个迁,由此可认为这是一个 3 进制异步计数器进制异步计数器。正常情况下,此时序电路不会进入状态正常情况下,此时序电路不会进入状态“10”。2008.
8、122008.12精选ppt11例例 7.1 续续 上述分析与上述分析与模拟波形模拟波形相符相符 相互验证相互验证2008.122008.12精选ppt12例例 7.1 续续 电路图略加改变效果如何?电路图略加改变效果如何?想法:想法:改为时钟上升沿触发,改为时钟上升沿触发,可否?可否?x clk2 clk1 reset y2 y1 改为与门改为与门省去反相器省去反相器2008.122008.12精选ppt13例例 7.1 续续 电路图略加改变效果如何?电路图略加改变效果如何?改变后的电路(改变后的电路(改为时钟上升沿触发改为时钟上升沿触发):):2008.122008.12精选ppt14例例
9、 7.1 续续 电路图略加改变效果如何?电路图略加改变效果如何?用时序模拟波形检验此用时序模拟波形检验此改动是否可行改动是否可行?波形不符合预期波形不符合预期要求要求 原因在哪里?原因在哪里?信号信号 x(clk1)上升沿使)上升沿使 Dff1 触发触发,随即随即Q1=1 引发引发clk2 使使Q2=1,错误!错误!clk2有不应出现的有不应出现的“毛刺毛刺”!警告:警告:处理处理触发器的敏感信号触发器的敏感信号(clock,reset,preset)时,)时,要要特别小心特别小心!2008.122008.12精选ppt15 脉冲序列检测器脉冲序列检测器 reset x2 x1 z 脉冲异步时
10、序电路的脉冲异步时序电路的综合综合 例例 7.2 用用 D 触发器实现一个触发器实现一个 脉冲序列检测器。脉冲序列检测器。波形关系波形关系指定:指定:复位信号复位信号 reset 低电平有效,低电平有效,reset=0 使电路进入预定的初始状态。使电路进入预定的初始状态。输入信号输入信号 x1 和和 x2 是不同时出现的脉冲,脉冲间隔任意,并且输入信是不同时出现的脉冲,脉冲间隔任意,并且输入信号第号第 i 次变化引起电路的变化达到稳定后,才允许输入信号发生第次变化引起电路的变化达到稳定后,才允许输入信号发生第(i+1)次变化。)次变化。只是在只是在 x1 出现出现 1个脉冲之后,紧接着个脉冲之
11、后,紧接着 x2 连续出现连续出现 2个脉冲,则将个脉冲,则将 x2的第的第 2个脉冲放行至输出端个脉冲放行至输出端 z。2008.122008.12精选ppt16例例7.2 续续 题意题意 状态图状态图:本例为本例为手工设计手工设计 因为因为x2和和x1是不同时出现的脉冲,所以输入信号是不同时出现的脉冲,所以输入信号 x2 x1 的取值组合不可的取值组合不可能出现能出现11。状态触发器的时钟信号由组合逻辑电路产生,该组合电路的输入是输入状态触发器的时钟信号由组合逻辑电路产生,该组合电路的输入是输入脉冲(脉冲(x2,x1)和状态触发器的输出。)和状态触发器的输出。假定所用假定所用D触发器对时钟
12、信号的触发器对时钟信号的上升沿上升沿敏感,则应使触发器的状态在对敏感,则应使触发器的状态在对应于(应于(x2,x1)的)的下降沿下降沿处发生变化,以确保时钟信号的完整。处发生变化,以确保时钟信号的完整。2008.122008.12精选ppt17例例7.2 续续 状态图状态图 状态表:状态表:2008.122008.12精选ppt18例例7.2 续续 状态编码:状态编码:状态编码的原则:状态编码的原则:初始状态初始状态 a 最好选择全零,使最好选择全零,使 reset 有效时顺利地进入初始状态。有效时顺利地进入初始状态。尽量使相邻状态的编码的海明距离为尽量使相邻状态的编码的海明距离为1。2008
13、.122008.12精选ppt19例例7.2 续续 以编码形式表示的状态表:以编码形式表示的状态表:2008.122008.12精选ppt20例例7.2 续续 激励函数及输出函数激励函数及输出函数真值表真值表:2008.122008.12精选ppt21例例7.2 续续 逻辑表达式逻辑表达式:本例采用卡诺图化简相应函数。:本例采用卡诺图化简相应函数。00 01 11 10 00 0 0 0 d 01 0 0 1 d 11 d d d d 10 0 1 1 d y2y1 x2x1)27(y1x2y2x1clk2 00 01 11 10 00 d d d d 01 d d 0 d 11 d d d
14、d 10 d 1 0 d y2y1 x2x1)37(y2d2 2008.122008.12精选ppt22例例7.2 续续 逻辑表达式逻辑表达式:00 01 11 10 00 0 0 0 d 01 1 0 0 d 11 d d d d 10 0 0 1 d y2y1 x2x1 4)-(7y2x2y1x1clk1 00 01 11 10 00 d d d d 01 1 d d d 11 d d d d 10 d d 0 d y2y1 x2x1)57(y2d1 2008.122008.12精选ppt23例例7.2 续续 逻辑表达式逻辑表达式:2008.122008.12精选ppt24例例7.2 续续
15、2008.122008.12精选ppt25 z d2 x2 y1 y2 clk2 x1 clk1 d1 reset 例例7.2 续续 根据式(根据式(7-3)以及式()以及式(7-5)()(7-8)画出)画出电路图电路图:2008.122008.12精选ppt26例例7.2 续续 功能模拟结果功能模拟结果:2008.122008.12精选ppt27例例7.2 续续 时序模拟结果时序模拟结果:模拟波形符合预期模拟波形符合预期 2008.122008.12精选ppt287.3 *电位异步时序电路电位异步时序电路 约束条件约束条件:各输入信号不允许同时发生变化,并且输入信号第各输入信号不允许同时发生
16、变化,并且输入信号第 i 次次变化引起电路的变化达到稳定后,才允许输入信号发生第(变化引起电路的变化达到稳定后,才允许输入信号发生第(i+1)次)次变化。变化。组组合合逻逻辑辑 电电路路 记记忆忆元元件件 输出信号 z1,z2zm.次态(激励信号)Y1,Y2Yk 输入信号 x1,x2xn 现态 y1,y2yk 组组合合逻逻辑辑 电电路路 输出信号 z1,z2zm.次态(激励信号)Y1,Y2Yk 输入信号 x1,x2xn 现态 y1,y2yk t1 t k 延迟元件作为记忆元件 时序电路的一时序电路的一般模型般模型电位时序电电位时序电路的模型路的模型2008.122008.12精选ppt29电位
17、异步时序电路的电位异步时序电路的分析分析 例例7.3 D锁存器:锁存器:重构原理图重构原理图 D锁存器的异步时序电路模型锁存器的异步时序电路模型2008.122008.12精选ppt30例例7.3 续续 D锁存器的异步时序电路模型(来自上页):锁存器的异步时序电路模型(来自上页):电路图电路图 激励信号表达式:激励信号表达式:)97(DyCyCDYy)DC(CDYyDCCDYy DC DCY2008.122008.12精选ppt31例例7.3 续续 激励信号表达式激励信号表达式 激励表激励表:当次态当次态Y的取值与现态的取值与现态y的取值相同时,该状态为稳定状态:的取值相同时,该状态为稳定状态
18、:在稳定状态外边加一个圆圈作为标记。在稳定状态外边加一个圆圈作为标记。用箭头标出由不稳定状态向稳定状态转换的情况。用箭头标出由不稳定状态向稳定状态转换的情况。00 01 11 10 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 输入输入CD 次态次态 Y 现态现态 y 2008.122008.12精选ppt32例例7.3 续续 激励表激励表 流程表:流程表:用符号用符号 a 代表代表 y=0;用符号用符号 b 代表代表 y=1。2008.122008.12精选ppt33例例7.3 续续 流程表流程表 状态图:状态图:状态图分析:状态图分析:只是在只是在C=1 且且 D 的值与现态不同时,状态才发生改
19、变。的值与现态不同时,状态才发生改变。当当C=1时,时,输出输出 Q 的取值跟随的取值跟随 D 的变化而变的变化而变。2008.122008.12精选ppt34电位异步时序电路的电位异步时序电路的综合综合 例例 7.4 设计一个上升沿触发的设计一个上升沿触发的D触发器触发器 DFF 设计设计依据依据:D触发器的触发器的功能表功能表2008.122008.12精选ppt35例例 7.4 DFF的综合(续)的综合(续)DFF功能的仔细分析:功能的仔细分析:仅当时钟信号由仅当时钟信号由0变变1时时,输出,输出Q的值才有可能发生变的值才有可能发生变化(化(Q D)输入信号不允许同时变化输入信号不允许同
20、时变化。例如,若当前。例如,若当前CD=00,则下一个变化只可能是则下一个变化只可能是 01 或或 10。为了简化,本例用C代表时钟信号clk.在画原始状态图时,在画原始状态图时,集中精力于正确性和全面性集中精力于正确性和全面性,可把减少状态个数的问题留给后续步骤(状态化简)。可把减少状态个数的问题留给后续步骤(状态化简)。为了简化问题,为了简化问题,本例暂时略去异步清零信号本例暂时略去异步清零信号 reset。即只考虑 reset=1的情况(将来再加)。clk2008.122008.12精选ppt36例例 7.4 DFF的综合(续)的综合(续)功能分析功能分析 原始状态图原始状态图(Moor
21、e型):型):关注关注正确性正确性和和全面性!全面性!2008.122008.12精选ppt37例例 7.4 DFF的综合(续)的综合(续)原始状态图原始状态图 原始流程表原始流程表:2008.122008.12精选ppt38例例 7.4 DFF的综合(续)的综合(续)状态化简:状态化简:b c d e f g h a b c d e f g b c d e f g h a b c d e f g b c d e f g h a b c d e f g (a)状态对的全集合 (b)输出不相容的状态对 (c)添加次态不相容的状态对 2008.122008.12精选ppt39例例 7.4 DFF的
22、综合(续)的综合(续)合并相容类:合并相容类:选择方案(选择方案(b)闭合性检查闭合性检查:满足闭合性要求:满足闭合性要求 2008.122008.12精选ppt40例例 7.4 DFF的综合(续)的综合(续)状态化简后的流程表状态化简后的流程表:状态编码(相邻状态的海明距离为状态编码(相邻状态的海明距离为1):):状态状态 A D E F 编码(编码(y2y1)00 01 10 11 2008.122008.12精选ppt41例例 7.4 DFF的综合(续)的综合(续)激励表:激励表:用编码代替用编码代替流程表中的流程表中的状态名称状态名称2008.122008.12精选ppt42例例 7.
23、4 DFF的综合(续)的综合(续)次态逻辑函数的表达式次态逻辑函数的表达式:输出函数的逻辑表达式:输出函数的逻辑表达式:10)7(y1Cy2y1C)Cy1(y2y1CCy2y1y2y1CY2)117(y1CDy1C)Cy1(Dy1CDy1DCy1CY1 12)-(7y2y1y21y2Qy2008.122008.12精选ppt43例例 7.4 DFF的综合(续)的综合(续)逻辑表达式(来自逻辑表达式(来自前页前页):):逻辑表达式逻辑表达式 DFF电路图电路图:图图7.187.182008.122008.12精选ppt44例例 7.4 DFF的综合(续)的综合(续)在在Quartus中创建电路图
24、中创建电路图 编译编译 时序模拟时序模拟 时序模拟结果与预期相符时序模拟结果与预期相符2008.122008.12精选ppt45例例 7.4 的的改进改进1 DFF电路图的变换电路图的变换:设法不使用反相器来产生 Qb D C y1 y2(Q)v u g)137(y1Cgvuy1)147(uvy1)157(vuCgy1图图7.217.21图图7.207.202008.122008.12精选ppt46例例 7.4 的的改进改进1(续)(续)时序模拟波形:结果正确时序模拟波形:结果正确 2008.122008.12精选ppt47例例 7.4 的的改进改进 2 例例7.5 给例给例 7.4 的的DF
25、F增加异步清零端增加异步清零端 reset。当当 reset=0 时,强制使触发器进入状态时,强制使触发器进入状态A,输出,输出Q为为0。解:解:状态状态A的编码为的编码为y2y1=00,为了使,为了使 reset=0时,强制使时,强制使触发器进入状态触发器进入状态A,需要对式,需要对式(7-10)和()和(7-11)加以加以改造改造,加入,加入reset 的影响:的影响:式(式(7-16)和()和(7-17)确保当)确保当 reset=0 时,时,y2y1=00。2008.122008.12精选ppt48例例 7.5 续续 将式(将式(7-13)代入()代入(7-16)和()和(7-17):
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