VLSI電路與系統(tǒng)資料實(shí)用教案

1、4.2 基本單元(dnyun)的分類 在靜態(tài)同步ASIC中，基本單元用于組成(z chn)分層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這些基本單元可以分類如下： 1基本邏輯單元 包括反相器、“與”、“或”、“異”、“與非”、“或非”、“同”、“與或非”、“或非與”、三態(tài)緩沖器和觸發(fā)器。 2基本組合邏輯單元 包括傳輸門、多路選擇器、譯碼器、比較器、編碼器。 第1頁(yè)/共44頁(yè)第一頁(yè)，共45頁(yè)。 2基本組合邏輯單元 包括傳輸門、多路選擇器、譯碼器、比較器、編碼器。 3. 基本存貯單元 包括各類邊緣敏感(mngn)觸發(fā)器。 4基本時(shí)序單元 包括位移寄存器、計(jì)數(shù)器、桶形移位器、狀態(tài)發(fā)生器。 5. 數(shù)據(jù)調(diào)整單元 包括加法器、乘法器。

2、 第2頁(yè)/共44頁(yè)第二頁(yè)，共45頁(yè)。4.3 CMOS組成(z chn)的基本單元 4.3.1“與非”、“或非”和“與或非”門 2輸入端的(dund)“與非”門電路及符號(hào)示于圖中 第3頁(yè)/共44頁(yè)第三頁(yè)，共45頁(yè)。 2輸入(shr)端的“或非”門示于圖中 第4頁(yè)/共44頁(yè)第四頁(yè)，共45頁(yè)。 最值得注意的一種(y zhn)是“與或非”門電路，它示于圖4-8中 它的電路非常簡(jiǎn)單，但應(yīng)用很廣泛。 第5頁(yè)/共44頁(yè)第五頁(yè)，共45頁(yè)。4.3.2 譯碼器、比較(bjio)器和多路選擇器 譯碼器、比較器構(gòu)成(guchng)同步系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和時(shí)序設(shè)備中基本的控制元件。 譯碼器進(jìn)行靜態(tài)的固定值比較。 比較器則進(jìn)

3、行寄存器與寄存器之間的可變值的比較。 第6頁(yè)/共44頁(yè)第六頁(yè)，共45頁(yè)。 譯碼器是一個(gè)能夠識(shí)別給定輸入狀態(tài)的電路，它主要有下列幾種： 1 1單態(tài)譯碼器：只識(shí)別一種輸入狀態(tài)。 2. 2. 多態(tài)譯碼器：能識(shí)別幾種輸入狀態(tài)。 3. 3. 全態(tài)譯碼器：它有分開(kāi)(fn ki)(fn ki)的輸出線，分別對(duì)應(yīng)于2n2n個(gè)可能輸入狀態(tài)之一, ,其中n n為輸入線的數(shù)目。 4. 4. 簡(jiǎn)化全態(tài)譯碼器：簡(jiǎn)化全態(tài)譯碼器的電路和全態(tài)譯碼器相似，但是把其中某些輸出線用“或”門連起來(lái)了，故輸出線較少。 第7頁(yè)/共44頁(yè)第七頁(yè)，共45頁(yè)。 譯碼器可以有允許線（使能信號(hào)(xnho)輸入）。 譯碼器對(duì)于每一種輸入狀態(tài)，應(yīng)注意

4、觀察分析其各輸出線上的狀態(tài)變化。 譯碼器很容易產(chǎn)生假信號(hào)(xnho)和尖峰(毛刺),故使用時(shí)須特別小心。 第8頁(yè)/共44頁(yè)第八頁(yè)，共45頁(yè)。 比較器的功能與譯碼器相似(xin s)，只不過(guò)它進(jìn)行寄存器和寄存器的比較。 等值比較器的一般電路圖示于圖4-11。 第9頁(yè)/共44頁(yè)第九頁(yè)，共45頁(yè)。多路選擇器 多路選擇器是一種(y zhn)選擇電路，它能夠從兩個(gè)或多個(gè)輸入信號(hào)中選擇一個(gè)輸出。 圖中給出一個(gè)用“與或非”門實(shí)現(xiàn)的兩輸入多路選擇器電路以及對(duì)應(yīng)得的電路符號(hào)，。 第10頁(yè)/共44頁(yè)第十頁(yè)，共45頁(yè)。4.3.3 4.3.3 傳輸(chun sh)(chun sh)門和三態(tài)緩沖器 傳輸門體現(xiàn)CMOS

5、電路的一種特有使用方式。 傳輸門是一種很重要的基本電路，它是一種具有兩種狀態(tài)(高阻抗?fàn)顟B(tài)和低阻抗?fàn)顟B(tài))的真正(zhnzhng)開(kāi)關(guān)。 第11頁(yè)/共44頁(yè)第十一頁(yè)，共45頁(yè)。4.3.44.3.4邊緣(binyun)(binyun)敏感觸發(fā)器 邊緣敏感觸發(fā)器是靜態(tài)同步ASIC的基本存儲(chǔ)元件。 其基本功能是。在時(shí)鐘的上升沿，輸入d的邏輯狀態(tài)被鎖存于輸出(shch)端q(并且其互補(bǔ)值鎖存于q的互補(bǔ)端)。這兩個(gè)輸出(shch)端的狀態(tài)一直保持到下一個(gè)時(shí)鐘上升沿為止。 第12頁(yè)/共44頁(yè)第十二頁(yè)，共45頁(yè)?；?jbn)邏輯功能單元 信號(hào)的命名(mng mng) 與信號(hào)相關(guān)的有效電平 高電平有效（acti

6、ve high） 低電平有效（active low）有反相圈的引腳有反相圈的引腳表示表示(biosh)低電低電平有效平有效給定邏輯功能只在符號(hào)框的內(nèi)部發(fā)生給定邏輯功能只在符號(hào)框的內(nèi)部發(fā)生READYREQUESTGOREADY_LREQUEST_LGO_L信號(hào)名和有效電平第13頁(yè)/共44頁(yè)第十三頁(yè)，共45頁(yè)。等效門符號(hào)(fho)（摩根定理）反相器反相器緩沖器緩沖器第14頁(yè)/共44頁(yè)第十四頁(yè)，共45頁(yè)。“圈到圈”的邏輯設(shè)計(jì)AASELBDATAAASELBADATA_LBDATA_LDATA第15頁(yè)/共44頁(yè)第十五頁(yè)，共45頁(yè)。電路(dinl)定時(shí)XZYFW傳播傳播(chunb)延遲延遲 propa

7、gation delay 信號(hào)信號(hào)(xnho)通路輸入端的變化引起輸出端變化所需的時(shí)間通路輸入端的變化引起輸出端變化所需的時(shí)間t tpHL pHL 和和 t tpLH pLH 可能不同可能不同第16頁(yè)/共44頁(yè)第十六頁(yè)，共45頁(yè)。電路(dinl)定時(shí)傳播傳播(chunb)延遲延遲 propagation delay定時(shí)分析：取最壞情況定時(shí)分析：取最壞情況(qngkung)延遲延遲XZYFWt tpHL pHL 和和 t tpLH pLH 可能不同可能不同最大延遲最大延遲典型延遲典型延遲最小延遲最小延遲080804323232P233 P233 表表5-25-215202222第17頁(yè)/共44頁(yè)

8、第十七頁(yè)，共45頁(yè)。電路(dinl)定時(shí)定時(shí)定時(shí)(dn sh)圖（時(shí)序圖）圖（時(shí)序圖）timing diagramGOREADYDATtDATtDATGOREADYDATtRDYtRDY第18頁(yè)/共44頁(yè)第十八頁(yè)，共45頁(yè)。電路(dinl)定時(shí)GOREADYDATGOREADYDATtRDYmintRDYmax定時(shí)定時(shí)(dn sh)圖（時(shí)序圖）圖（時(shí)序圖）timing diagram第19頁(yè)/共44頁(yè)第十九頁(yè)，共45頁(yè)。電路(dinl)定時(shí)WRITE_LDATAOUTDATAINtOUTmaxtsetuptOUTmin第20頁(yè)/共44頁(yè)第二十頁(yè)，共45頁(yè)。常用(chn yn)組合邏輯功能電路編

9、碼器譯碼器多路復(fù)用器奇偶校驗(yàn)比較(bjio)器加法器第21頁(yè)/共44頁(yè)第二十一頁(yè)，共45頁(yè)。譯碼器和編碼器多輸入、多輸出多輸入、多輸出(shch)電路電路譯碼器（譯碼器（decoderdecoder） 一般來(lái)說(shuō)，輸出編碼一般來(lái)說(shuō)，輸出編碼(bin m)(bin m)比輸入編碼比輸入編碼(bin m)(bin m)位數(shù)多位數(shù)多編碼編碼(bin m)(bin m)器（器（encoderencoder） 輸出編碼輸出編碼(bin m)(bin m)比輸入編碼比輸入編碼(bin m)(bin m)位數(shù)少，則常稱為編碼位數(shù)少，則常稱為編碼(bin m)(bin m)器器使能輸入使能輸入輸入輸入編碼編碼輸

10、出輸出編碼編碼映射映射使能輸入使能輸入(shr)有效才能有效才能實(shí)現(xiàn)正常映射功能實(shí)現(xiàn)正常映射功能第22頁(yè)/共44頁(yè)第二十二頁(yè)，共45頁(yè)。一種最常用(chn yn)的情況使能使能輸入輸入編碼編碼輸出輸出編碼編碼映射映射譯碼器（譯碼器（decoderdecoder）編碼器（編碼器（encoderencoder）n位二進(jìn)制碼位二進(jìn)制碼2n中取中取1碼碼使能使能輸入輸入編碼編碼輸出輸出編碼編碼映射映射2n中取中取1碼碼n位二進(jìn)制碼位二進(jìn)制碼第23頁(yè)/共44頁(yè)第二十三頁(yè)，共45頁(yè)。譯碼器（decoder） 二進(jìn)制譯碼器2-42-4譯碼器譯碼器Y0Y1Y2Y3I0I1EN 0 X X 0 0 0 0 1

11、0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0輸輸 入入EN I1 I2輸輸 出出 Y3 Y2 Y1 Y02-42-4二進(jìn)制譯碼器真值表二進(jìn)制譯碼器真值表第24頁(yè)/共44頁(yè)第二十四頁(yè)，共45頁(yè)。譯碼器（decoder） 0 X X 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0輸輸 入入EN I1 I2輸輸 出出 Y3 Y2 Y1 Y02-42-4二進(jìn)制譯碼器真值表二進(jìn)制譯碼器真值表Y0 = EN ( I1 I2 )Y1 = EN ( I1 I2 )Y2

12、= EN ( I1 I2 )Y3 = EN ( I1 I2 )Yi = EN mi第25頁(yè)/共44頁(yè)第二十五頁(yè)，共45頁(yè)。0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 00 0 0 1 0 0 0 00 0 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 00 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1I2I1I0Y7Y1Y0Y2Y3Y4Y5Y63-83-8二進(jìn)制譯碼器真值表二進(jìn)制譯碼器真值表3-83-8譯碼器譯碼器I2I1I0Y0Y1Y7Yi = EN m

13、i1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1第26頁(yè)/共44頁(yè)第二十六頁(yè)，共45頁(yè)。 大規(guī)模元件(yunjin)的邏輯符號(hào)Y0Y1Y2Y3GAB1/2 74x139Y0Y1Y2Y3GAB1/2 74x139Y0Y1Y2Y3GAB1/2 74x139G_LABY0_LY1_LY2_LY3_L第27頁(yè)/共44頁(yè)第二十七頁(yè)，共45頁(yè)。雙2-4譯碼器74x139 74x139 1 X X 1 1 1 1 0

14、 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1輸輸 入入G B A輸輸 出出 Y3_L Y2_L Y1_L Y0_L1/2 74x139雙雙2-4譯碼器真值表譯碼器真值表第28頁(yè)/共44頁(yè)第二十八頁(yè)，共45頁(yè)。3-8譯碼器74x138G1G2A_LG2B_LY3 = G1 G2A G2B C B A使使 能能選選 擇擇Y3_L = Y3 = (G1 G2A_L G2B_L CBA)= G1 + G2A_L + G2B_L + C+B+A第29頁(yè)/共44頁(yè)第二十九頁(yè)，共45頁(yè)。N0N1N2N3EN_L+5VD0_LD7_LD8_LD1

15、5_L用用74x13874x138設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)(shj)4-16(shj)4-16譯碼器譯碼器思路思路(sl)(sl)： 16 16個(gè)輸出需要個(gè)輸出需要 片片74x13874x138？Y0Y7ABCG1G2AG2BY0Y7ABCG1G2AG2BU1U2 任何時(shí)刻只有一片在工任何時(shí)刻只有一片在工作。作。 4 4個(gè)輸入中，個(gè)輸入中，哪些哪些(nxi)(nxi)位控制片選位控制片選哪些哪些(nxi)(nxi)位控制輸入位控制輸入第30頁(yè)/共44頁(yè)第三十頁(yè)，共45頁(yè)。思考：用思考：用74x13874x138設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 5-32 5-32 譯碼器譯碼器3232個(gè)輸出需要多少片個(gè)輸出需要多少片74x13874x

16、138？控制任何時(shí)刻只有一片控制任何時(shí)刻只有一片(y pin)(y pin)工作工作 利用使能端利用使能端5 5個(gè)輸入的低個(gè)輸入的低3 3位控制輸入位控制輸入5 5個(gè)輸入的高個(gè)輸入的高2 2位控制片選位控制片選 利用利用 2-4 2-4 譯碼器譯碼器第31頁(yè)/共44頁(yè)第三十一頁(yè)，共45頁(yè)。二十進(jìn)制譯碼器輸入輸入(shr)(shr)：BCDBCD碼碼輸出：十中取一碼輸出：十中取一碼Y0Y9I0I1I2I3多余的多余的6 6個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài)(zhungti)(zhungti)如何處理？如何處理？輸出均無(wú)效輸出均無(wú)效(wxio)(wxio)：拒絕：拒絕“翻譯翻譯”作為任意項(xiàng)處理作為任意項(xiàng)處理 電路內(nèi)部結(jié)

17、構(gòu)簡(jiǎn)單電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單第32頁(yè)/共44頁(yè)第三十二頁(yè)，共45頁(yè)。二二- -十十進(jìn)進(jìn)制制譯譯碼碼器器0 0 0 0 0 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 1 1 11 1 1 0 1 1 1 1 1 11 1 1 1 0 1 1 1 1 11 1 1 1 1 0 1 1 1 11 1 1 1 1 1 0 1 1 11 1 1

18、1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1I3 I2 I1 I00123456789Y0_L Y9_L偽碼任任 意意 項(xiàng)項(xiàng)第33頁(yè)/共44頁(yè)第三十三頁(yè)，共45頁(yè)。七段顯示(xinsh)譯碼器abcdefgdp公共陰極公共陰極abcdefgdp常用常用(chn yn)(chn yn)的有：的有：半導(dǎo)體數(shù)碼管（半導(dǎo)

19、體數(shù)碼管（LEDLED）液晶數(shù)碼管（液晶數(shù)碼管（LCDLCD）abcdefgdp公共陽(yáng)極公共陽(yáng)極第34頁(yè)/共44頁(yè)第三十四頁(yè)，共45頁(yè)。七段顯示(xinsh)譯碼器 輸入(shr)信號(hào)：BCD碼（用A3A2A1A0表示） 輸出：七段碼（的驅(qū)動(dòng)信號(hào)）a g 1 表示亮，0 表示滅abcdefg111111011011010011111第35頁(yè)/共44頁(yè)第三十五頁(yè)，共45頁(yè)。七七段段顯顯示示(xi(xinshnsh)譯譯碼碼器器的的真真值值表表0 0 0 0 0 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 0

20、1 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 11 1 1 1 1 1 00 1 1 0 0 0 01 1 0 1 1 0 11 1 1 1 0 0 10 1 1 0 0 1 11 0 1 1 0 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 0 0 0 01 1 1 1 1 1 11 1 1 0 0 1 10 0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 0 10 1 0 0 0 1 11 0 0 1 0 1 10 0 0 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0A3 A2 A1 A0a b c d e f g0123456789101112131415第36頁(yè)/共44頁(yè)第三

21、十六頁(yè)，共45頁(yè)。BCD - 七段顯示(xinsh)譯碼器的卡諾圖Ya = A3A2A2A0 + A3A1 + A2A0Yb = A3A1 + A2A1A0 + A2A1A0第37頁(yè)/共44頁(yè)第三十七頁(yè)，共45頁(yè)。BCD - 七段顯示(xinsh)譯碼器的卡諾圖Yc = A3A2 + A2A1A0Yd = A2A1A0 + A2A1A0 + A2A1A0第38頁(yè)/共44頁(yè)第三十八頁(yè)，共45頁(yè)。BCD - 七段顯示(xinsh)譯碼器的卡諾圖Ye = A2A1 + A0Yf = A3A2A0 + A1A0 + A2A1第39頁(yè)/共44頁(yè)第三十九頁(yè)，共45頁(yè)。BCD - 七段顯示(xinsh)譯碼

22、器的卡諾圖Yg = A3A2A1 + A2A1A0邏輯圖：P261 圖545第40頁(yè)/共44頁(yè)第四十頁(yè)，共45頁(yè)。編碼器（encoder）二進(jìn)制二進(jìn)制編碼器編碼器A0A1A2I0I1I71 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 1 0 0 0 0 0 0 1 00 0 0 1 0 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 0 0 0 1 0 00 0 0 0 0 1 0 0 1 0 10 0 0 0 0 0 1 0 1 1 00 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7A2 A1 A03 3位二進(jìn)制編碼器的真值表位二進(jìn)制編碼器的真值表2n個(gè)個(gè)輸輸入入n個(gè)個(gè)輸輸出出第41頁(yè)/共44頁(yè)第四十一頁(yè)，共45頁(yè)。編碼器（encoder）A0 = I1 + I3 + I5 + I7A1 = I2 + I3 + I6 + I7A2 = I4 + I5 + I6 + I7前提：任何時(shí)刻只有前提：任何時(shí)刻只有(zhyu) 一個(gè)輸入端有效。一個(gè)輸入端有效。問(wèn)題：當(dāng)某時(shí)刻出問(wèn)題：當(dāng)某時(shí)刻出現(xiàn)多個(gè)輸入現(xiàn)多個(gè)輸入(shr)有效？有效？?jī)?yōu)先級(jí)（優(yōu)先級(jí)（prioritypriority）1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 1 0