數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)-用5種不同方法說(shuō)明D鎖存器與D觸發(fā)器的功能作用(純?cè)瓌?chuàng))

1、討論：1) 用五種不同的方法描述D鎖存器和D觸發(fā)器的功能；2) 鎖存器和觸發(fā)器進(jìn)入無(wú)法預(yù)期狀態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)）的原因分析；3) 下載D觸發(fā)器和D鎖存器的規(guī)格說(shuō)明PDF，理解動(dòng)態(tài)參數(shù)的含義，分析這些定時(shí)參數(shù)與無(wú)法預(yù)期狀態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)）的聯(lián)系；4) 對(duì)D鎖存器和D觸發(fā)器的功能進(jìn)行波形仿真分工： 1.1此處我們發(fā)現(xiàn)了6種方法，分別是功能的文字?jǐn)⑹?、功能表、狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表、特征方程、狀態(tài)圖、時(shí)序圖，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。方法一：功能的文字?jǐn)⑹鰈 D鎖存器：功能分析文字描述：C = 0時(shí)，輸出狀態(tài)保持不變；C = 1時(shí)，輸出隨輸入狀態(tài)而改變。l D觸發(fā)器： 功能分析文字描述：CLK=0時(shí)，主鎖存器工作，接收輸入信號(hào)

2、Qm = D；從鎖存器不工作，輸出 Q 保持不變。CLK=1時(shí)，主鎖存器不工作，Qm 保持不變；從鎖存器工作，將 Qm 傳送到輸出端。方法二：功能表l D鎖存器功能表 D觸發(fā)器功能表 方法三：狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表l D鎖存器狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表 D觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表 方法四：特征方程l D鎖存器特征方程：Qn+1 = D（C=1）l D觸發(fā)器特征方程：Qn+1 = D 方法五：狀態(tài)圖l D鎖存器狀態(tài)圖l D鎖存器狀態(tài)圖方法六：時(shí)序圖l D鎖存器時(shí)序圖l D觸發(fā)器時(shí)序圖1.2什么是亞穩(wěn)態(tài)：亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器無(wú)法在某個(gè)規(guī)定時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確認(rèn)的狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)引時(shí)，既無(wú)法預(yù)測(cè)該單元的輸出電平，也

3、無(wú)法預(yù)測(cè)何時(shí)輸出才能穩(wěn)定在某個(gè)正確的電平上。在這個(gè)穩(wěn)定期間，觸發(fā)器輸出一些中間級(jí)電平，或者可能處于振蕩狀態(tài)，并且這種無(wú)用的輸出電平可以沿信號(hào)通道上的各個(gè)觸發(fā)器級(jí)聯(lián)式傳播下去。l 鎖存器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)的原因：n 對(duì)于S-R鎖存器：1. 當(dāng)S=R=1，然后同時(shí)取消時(shí)；2. 當(dāng)S和R端輸入信號(hào)脈沖寬度過(guò)窄時(shí)；3. 當(dāng)S和R端輸入信號(hào)同時(shí)取反時(shí)；均會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。n 對(duì)于D觸發(fā)器：當(dāng)輸入信號(hào)脈沖寬度過(guò)窄時(shí)，會(huì)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。l 觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)的原因：在同步系統(tǒng)中，如果觸發(fā)器的建立時(shí)間（setup time）/保持時(shí)間（hold time）不滿足要求，就可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，此時(shí)觸發(fā)器輸出端Q在有效時(shí)鐘沿之后比較長(zhǎng)的

4、一段時(shí)間處于不確定的狀態(tài)，在這段時(shí)間里Q端毛刺、振蕩、固定的某一電壓值，而不是等于數(shù)據(jù)輸入端D的值。這段之間成為決斷時(shí)間（resolution time）。經(jīng)過(guò)resolution time之后Q端將穩(wěn)定到0或1上，但是究竟是0還是1，這是隨機(jī)的，與輸入沒(méi)有必然的關(guān)系。1.3l D觸發(fā)器的規(guī)格說(shuō)明書(shū)PDF見(jiàn)附件174LS573D鎖存器規(guī)格說(shuō)明_datasheet；D鎖存器的規(guī)格說(shuō)明書(shū)PDF見(jiàn)附件274LS174D觸發(fā)器規(guī)格說(shuō)明_datasheet。.l 定時(shí)參數(shù)及含義如下：建立時(shí)間（setup time）：保持時(shí)間（hold time）：最小脈沖寬度（tpw）：l 與亞穩(wěn)態(tài)的聯(lián)系：下面是D鎖存

5、器的時(shí)序圖分析：當(dāng)E維持在高電平的時(shí)候，D端在某一時(shí)刻，輸入一個(gè)值D0。這個(gè)值從D端與非門進(jìn)入，在器件內(nèi)會(huì)有一個(gè)延遲，再加上反饋回與非門一個(gè)輸入端的信號(hào)與另一個(gè)輸入端的信號(hào)可能存在不一致，使得在整個(gè)D鎖存器的建立過(guò)程中，Q端輸出的電壓會(huì)存在一個(gè)“不穩(wěn)定階段”，我們可以把它叫做Setup time，這個(gè)不穩(wěn)定階段的“長(zhǎng)度”與上一節(jié)提到的器件傳輸時(shí)延，和D端輸入電平，Q端初始電平有關(guān)（假設(shè)E端電平始終不變）。注意，這個(gè)時(shí)間段的起始位置在D開(kāi)始有效的那一點(diǎn)上。因?yàn)镈輸入后，還要經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)間段，Q端才開(kāi)始“震蕩”。下面是D觸發(fā)器的時(shí)序圖分析：從時(shí)鐘端口1上升沿開(kāi)始，到窗口時(shí)間前面那一點(diǎn)結(jié)束，這段時(shí)間就

6、是DFF的setup time。從時(shí)鐘端口1上升沿開(kāi)始，到窗口時(shí)間后面的那一點(diǎn)結(jié)束，這段時(shí)間就是DFF的hold time。從時(shí)鐘端口1上升沿開(kāi)始，到輸出點(diǎn)Q穩(wěn)定結(jié)束，這段時(shí)間就是DFF的clock to output時(shí)間，可用Tcko，Tco表示。通常來(lái)講，對(duì)于一個(gè)高速器件，這個(gè)時(shí)間窗口都會(huì)非常小。現(xiàn)在我們把時(shí)間窗口縮到正常比例，并略去DFF內(nèi)部時(shí)序，只關(guān)注D，Q，CLK，我們會(huì)得到下面這個(gè)圖。另外，對(duì)于 “負(fù)hold time”。如果在純時(shí)序器件前端加上一些組合邏輯，從而組合成一個(gè)有一定功能的時(shí)序器件。那么因?yàn)榍懊孢@個(gè)組合邏輯會(huì)占用一部分傳輸時(shí)間，因此從這個(gè)不純的時(shí)序器件上看，采樣窗口就會(huì)相對(duì)時(shí)鐘上升沿提前，當(dāng)采樣窗口的尾部可以提前到時(shí)鐘上升沿之前的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)負(fù)hold time（setup time永遠(yuǎn)在上升沿前面，永遠(yuǎn)是正的）。這說(shuō)明：“不純的時(shí)序器件內(nèi)部的組合邏輯的傳輸時(shí)間”大于“純時(shí)序器件原來(lái)的hold time的絕對(duì)值”。l 解決方法：1. 降低系統(tǒng)時(shí)鐘；2. 用反應(yīng)更快的FF；3. 引入同步機(jī)制，防止亞穩(wěn)態(tài)傳播；4. 改善時(shí)鐘質(zhì)量，用邊沿變化快速的時(shí)鐘信號(hào)；總之，關(guān)鍵是器件使