《电子技术基础数字部分》第五版(康华光).第6章.时序逻辑电路

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1、6 . 6 . 时序逻辑电路的分析与设计时序逻辑电路的分析与设计 6.1 时序逻辑电路的基本概念 6.2 同步时序逻辑电路的分析 6.3 同步 时序逻辑电路的设计 6.4 异步 时序逻辑电路的分析 6.5 若干典型的时序逻辑集成电路 6.6 用Verilog描述时序逻辑电路 6.7 时序逻辑可编程逻辑器件1. 掌握时序逻辑电路功能的表达方法及其相互转换；2. 掌握同步时序逻辑电路的分析和设计方法；3. 掌握异步时序逻辑电路的分析方法；4. 掌握典型时序逻辑电路计数器、寄存器、移位寄存器的逻辑功能及其应用；5. 了解时序可编程器件。教学要求教学要求6.1 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念

2、楼房电梯控制楼房电梯控制引入时序逻辑问题引入时序逻辑问题 电梯的控制电路需要根据电梯内和各楼层入口处按键信号，以及电梯当前的状态，来决定电梯的上升上升或下降下降，同时将电梯当前所处的楼层输出显示。按键信号输入信号输入信号，升降控制和所处楼层显示输出信号输出信号； 控制电路必须具有存储单元用以记忆，定义电梯当前所处的楼层现态现态，将要达到的楼层次态次态，楼层的变换为状态转换状态转换； 电梯的升降不仅取决于当前按键输入信号，而且取决于电梯当前的状态。确定状态如何转换的信号激励信号激励信号。 输入信号、输出信号、激励信号以及现态、次态及其状态转换是时序逻辑问题研究的主要内容。6.1 时序逻辑电路基本

3、概念时序逻辑电路基本概念1. 时序电路的模型时序电路的模型时序逻辑电路由进行逻辑运算的组合电路和起记忆作用的存储电路存储电路组成。电路模型如图。6.1.1 时序逻辑电路模型与分类时序逻辑电路模型与分类输入信号 I，I=( I1，I2，Ii )输出信号 O，O=( O1，O2，Oj )激励信号 E，E=( E1，E2，Ek )状态信号 S，S=( S1，S2，Sm )输出方程组： O=f ( I，S)激励方程组： E= g ( I，S)状态方程组： Sn+1=h ( E，S)存储电路的输入信号存储电路的输出信号触发器或锁存器构成输出信号是输入I与状态S的函数激励信号是输入I与状态S的函数次态是激

4、励E与状态S的函数6.1 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路具有以下特征：时序逻辑电路具有以下特征：.时序逻辑电路由组合逻辑电路和存储电路组成。.时序逻辑电路的状态变化，不仅与该当前的输入信号有关，而且与电路当前的状态有关。 .时序逻辑电路在任意时刻的输出信号，不仅与该当前的输入信号有关，而且与电路当前的状态有关。 6.1.1 时序逻辑电路模型与分类时序逻辑电路模型与分类6.1 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念2. 异步时序电路与同步时序电路异步时序电路与同步时序电路时序逻辑电路 同步时序逻辑电路 异步时序逻辑电路同步时序逻辑电路同步时序逻辑电路：存储电路一般用触发器

5、实现，各触发器的时钟端均与统一的时钟脉冲信号相连接与统一的时钟脉冲信号相连接，各触发器状态改变受同一时钟信号的控制，它们的状态在同一时刻更新它们的状态在同一时刻更新。目前较复杂的时序电路广泛采用同步时序逻辑电路实现。异步时序逻辑电路异步时序逻辑电路：没有统一的时钟脉冲或没有时钟脉冲，电路的状态更新不是同时发生的。 异步时序逻辑电路又分为脉冲脉冲异步时序电路触发器组成，电平电平异步时序电路锁存器组成。6.1.1 时序逻辑电路模型与分类时序逻辑电路模型与分类6.1 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念以同步时序电路为例对以同步时序电路为例对状态状态进行说明进行说明.时序逻辑电路是状态状态依赖的

6、，故又称为状态机状态机，本章只限于讨论有限数量存储单元构成的状态机有限状态机； .电路的状态是由触发器的状态组合而成，具有n个触发器的时序电路具有2n个状态，例如n=2， 22 =4，电路具有4个状态：00、01、10、11；.在有效边沿触发前电路的状态为现态现态，有效边沿触发后电路的状态为次态次态，次态次态仅仅表示状态变化时的新状态，变化后又是现态现态；. 状态的变化产生的次态次态取决于输入信号和现态现态，输出信号也取决于输入信号和现态现态，或者仅取决于现态现态。6.1.1 时序逻辑电路模型与分类时序逻辑电路模型与分类6.1 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念6.1.2 时序电路功能的

7、表达时序电路功能的表达组合逻辑关系的表达方法 输出函数表达式 真值表 卡诺图时序电路功能的表达方法 方程组 状态表 状态图 时序图 时序电路功能的四种表达方法表示的是同一种同一种逻辑关系，它们可以相互转换，在时序电路分析和设计往往需要利用各种表达方法。下面通过一个实例实例，讲解时序电路功能的四种表达方式及相互转换。 输出方程组 激励方程组 状态方程组6.1 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念考察如图所示电路有效的同步时序电路1. 逻辑方程组逻辑方程组(1). 输出方程组A)QQ(Y10(2). 激励方程组A)QQ(D100A QD01(3). 状态方程组由激励方程代入触发器特性方程得到A

8、)QQ(Q101n0A QQ01n1D触发器特性方程：Qn+1=DQ0+Q16.1.2 时序电路功能的表达时序电路功能的表达A=00 00 11 01 1 现态Q1 Q0次态yQ1n21n0 QQ1n11n1 A=1/Y6.1 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念2. 状态表状态表(1). 输出方程组A)QQ(Y10(2). 激励方程组A)QQ(D100A QD01(3). 状态方程组A)QQ(Q101n0A QQ01n1Q1 Q0 A Y 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1

9、 0 0 0 1 1 1 1 0 1 01n1Q1n0Q状态真值表常用是状态表状态表，与状态真值表等效，为其集约形式。0 0/00 0/10 0/10 0/11 0/00 1/01 1/00 1/0状态表电路电路方程组方程组状态真值表状态真值表状态表状态表6.1.2 时序电路功能的表达时序电路功能的表达6.1 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念3. 状态图状态图由状态表很方便得到状态图。0 0/00 0/10 0/10 0/11 0/00 1/01 1/00 1/0状态表A=00 00 11 01 1 现态Q1 Q0次态yQ1n21n0QQ1n11n1A=1/Y状态图00011110 0

10、/0Q1Q0 A/Y 0/10/1 0/1 1/0 1/0 1/0 1/06.1.2 时序电路功能的表达时序电路功能的表达6.1 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念4. 时序图时序图由状态表或状态图、输出方程组很方便得到时序图。 CP A 0 0/00 0/10 0/10 0/11 0/00 1/01 1/00 1/0状态表A=00 00 11 01 1 现态Q1 Q0次态yQ1n21n0QQ1n11n1A=1/YA)QQ(Y10Q0Q1Y输出方程时序图时有时并没有完全表达电路状态转换全过程，如图没有表达状态为11，A=0时状态转换输入波形自拟0000010001116.1.2 时序电路

11、功能的表达时序电路功能的表达6.2 同步同步时序电路分析时序电路分析时序逻辑电路分析的任务时序逻辑电路分析的任务 同步时序电路的分析实际上是一个读图、识图的过程。 对给定的同步时序电路，分析其在输入信号和时钟的作用下，其状态和输出信号变化的规律，进而理解电路的逻辑功能和工作特性。分析的关键分析的关键：找出电路状态和输出变化的规律找出电路状态和输出变化的规律。 分析过程的主要表现形式：时序电路的逻辑功能是由其状态和输出信号的变化规律呈现出来的。所以，分析过程主要是列出电路状态表或画出状态图、时序图。6.2 同步同步时序电路分析时序电路分析同步同步时序逻辑电路分析时序逻辑电路分析方法方法 代数法代