第7章 時(shí)序邏輯電路的應(yīng)用

1、 第第7章章 時(shí)序邏輯電路的應(yīng)用時(shí)序邏輯電路的應(yīng)用本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容(1) 寄存器寄存器(2) 串行加法器串行加法器(3) 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器7.1寄存器寄存器n寄存器是數(shù)字系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)中用來存放數(shù)據(jù)或代碼的一種寄存器是數(shù)字系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)中用來存放數(shù)據(jù)或代碼的一種基本邏輯部件，它由多位觸發(fā)器連接而成?；具壿嫴考?，它由多位觸發(fā)器連接而成。n從具體用途來分，它有多種類型，如運(yùn)算器中的從具體用途來分，它有多種類型，如運(yùn)算器中的數(shù)據(jù)寄存數(shù)據(jù)寄存器器、存儲(chǔ)器中的、存儲(chǔ)器中的地址寄存器地址寄存器、控制器中的、控制器中的指令寄存器指令寄存器、I/O接口電路中的接口電路中的命令寄存器、狀態(tài)寄存器命令寄存器、狀

2、態(tài)寄存器等。等。n從基本功能上來分類，分為從基本功能上來分類，分為“沒有移位功能的代碼寄存器沒有移位功能的代碼寄存器”和和 “具有移位功能的移位寄存器具有移位功能的移位寄存器”。7.1.1 代碼寄存器代碼寄存器n主要用來接收、寄存和傳送數(shù)據(jù)或代碼。主要用來接收、寄存和傳送數(shù)據(jù)或代碼。n一個(gè)由一個(gè)由D觸發(fā)器構(gòu)成的觸發(fā)器構(gòu)成的4位代碼寄存器如下圖所示：位代碼寄存器如下圖所示：n由圖可見，由圖可見，4位輸入數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)入寄存器，寄存器的四個(gè)輸位輸入數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)入寄存器，寄存器的四個(gè)輸出端是同時(shí)有效的，這樣的寄存器稱為出端是同時(shí)有效的，這樣的寄存器稱為“并行輸入并行輸出并行輸入并行輸出”寄存器。寄存器。n

3、代碼寄存器常常需要接收控制和清零功能，如下圖所示：代碼寄存器常常需要接收控制和清零功能，如下圖所示：同步清零方式同步清零方式n當(dāng)當(dāng)LOAD=1(CLEAR=0)時(shí)，時(shí)鐘脈沖到來，數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存時(shí)，時(shí)鐘脈沖到來，數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器。器。n當(dāng)當(dāng)CLEAR=1時(shí)，時(shí)鐘脈沖到來，將整個(gè)寄存器清時(shí)，時(shí)鐘脈沖到來，將整個(gè)寄存器清0；當(dāng)；當(dāng)CLEAR=0時(shí)，寄存器可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)輸入操作。時(shí)，寄存器可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)輸入操作。異步清零方式異步清零方式n在下圖所示的代碼寄存器中，其清在下圖所示的代碼寄存器中，其清0操作是通過觸發(fā)器的操作是通過觸發(fā)器的復(fù)位端復(fù)位端R來實(shí)現(xiàn)的，也稱為來實(shí)現(xiàn)的，也稱為異步清異步清0方式

4、。方式。n在這種方式下，清零操作是獨(dú)立于時(shí)鐘在這種方式下，清零操作是獨(dú)立于時(shí)鐘CP的。它與上圖的。它與上圖所示的同步清所示的同步清0方式不同，那里是靠時(shí)鐘脈沖本身將數(shù)據(jù)方式不同，那里是靠時(shí)鐘脈沖本身將數(shù)據(jù)“0”打入觸發(fā)器的。打入觸發(fā)器的。由由JK觸發(fā)器組成的觸發(fā)器組成的4位代碼寄存器位代碼寄存器n以上幾種代碼寄存器全為以上幾種代碼寄存器全為“并入并入-并出并出”寄存器。在介紹寄存器。在介紹了移位寄存器后，還會(huì)看到了移位寄存器后，還會(huì)看到“并入并入-串出串出”、“串入串入-并出并出”以及以及“串入串入-串出串出”的寄存器。的寄存器。(5-8) 所謂“移位”，就是將寄存器所存各位 數(shù)據(jù)，在每個(gè)移位

5、脈沖的作用下，向左或向右移動(dòng)一位。根據(jù)移位方向，常把它分成左移寄存器、右移寄存器 和 雙向移位寄存器三種：寄存器左移(a)寄存器右移(b)寄存器雙向移位(c)7.1.2 移位寄存器移位寄存器(5-9)通常可按數(shù)據(jù)傳輸方式的不同對移位寄存器進(jìn)行分類。移位寄存器的數(shù)據(jù)輸入方式有串行輸入和并行輸入之分。串行輸入就是在時(shí)鐘脈沖作用下，把要輸入的數(shù)據(jù)從一個(gè)輸入端依次一位一位地送入寄存器；并行輸入就是把輸入的數(shù)據(jù)從幾個(gè)輸入端同時(shí)送入寄存器。移位寄存器的輸出也有串行和并行之分。串行輸出就是在時(shí)鐘脈沖作用下，寄存器最后一位輸出端依次一位一位地輸出寄存器的數(shù)據(jù)；并行輸出則是寄存器的每個(gè)寄存單元均有輸出。FFFF

6、FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF串入串出串入并出并入串出并入并出1. 移位寄存器的構(gòu)成移位寄存器的構(gòu)成 串入串入-串出的右移寄存器：串出的右移寄存器：假定：假定：寄存器初態(tài)為寄存器初態(tài)為0，VI I = 1101串行送入寄存器輸入串行送入寄存器輸入輸入信號(hào)每經(jīng)過輸入信號(hào)每經(jīng)過一級(jí)觸發(fā)器，移一級(jí)觸發(fā)器，移動(dòng)了一個(gè)移存周動(dòng)了一個(gè)移存周期，但波形形狀期，但波形形狀保持不變。保持不變。1Q2Q3Q4Q111012345678CPIV雙向移位寄存器雙向移位寄存器n既能左移又能右移的移位寄存器稱為雙向移位寄存器。下既能左移又能右移的移位寄存器稱為雙向移位寄存器。下圖表示了一個(gè)由圖表

7、示了一個(gè)由3位位D觸發(fā)器和相應(yīng)的控制電路構(gòu)成的雙觸發(fā)器和相應(yīng)的控制電路構(gòu)成的雙向移位寄存器。向移位寄存器。n雙向移位寄存器的控制與操作：雙向移位寄存器的控制與操作：左移控制左移控制右移控制右移控制操作操作00把寄存器清把寄存器清001右移右移10左移左移11不允許不允許n從邏輯結(jié)構(gòu)上看，移位寄存器有以下兩個(gè)顯著特征：(1)移位寄存器是由相同的寄存單元所組成。一般說來，寄存單元的個(gè)數(shù)就是移位寄存器的位數(shù)。為了完成不同的移位功能，每個(gè)寄存單元的輸出與其相鄰的下一個(gè)寄存單元的輸入之間的連接方式也不同。(2)所有寄存單元共用一個(gè)時(shí)鐘。在公共時(shí)鐘的作用下，各個(gè)寄存單元的工作是同步的。每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖，

8、寄存器的數(shù)據(jù)就順序向左或向右移動(dòng)一位。2. 移位寄存器的應(yīng)用移位寄存器的應(yīng)用例例1 利用移位寄存器進(jìn)行代碼在兩個(gè)寄存器間的串行相互傳利用移位寄存器進(jìn)行代碼在兩個(gè)寄存器間的串行相互傳送。送。(A) (B)如圖如圖7.7所示。所示。(A) (B)，且要求，且要求A的內(nèi)容不變的內(nèi)容不變?nèi)鐖D如圖7.8所示。所示。 圖圖7.7 (A) (B)的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn) n 圖圖7.8 (A) (B)的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn) 通常信息在線路上的傳遞是串行傳送，而終端的輸入或輸出往往是并行的，因而需對信號(hào)進(jìn)行 串并行轉(zhuǎn)換或并串轉(zhuǎn)換。并入并出數(shù)據(jù)寄存并入串出多位數(shù)據(jù)共信道傳輸串入并出共信道傳輸數(shù)據(jù)接收串入串出數(shù)字延遲例例2 移位寄存器

9、在數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。移位寄存器在數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用。n移位寄存器移位寄存器A采用采用“并入并入-串出串出”的工作方式，即它并行接的工作方式，即它并行接收系統(tǒng)收系統(tǒng)A中的數(shù)據(jù)，然后逐位移出數(shù)據(jù)到通信線路上；中的數(shù)據(jù)，然后逐位移出數(shù)據(jù)到通信線路上；n移位寄存器移位寄存器B采用采用“串入串入-并出并出”的工作方式，即它是逐位的工作方式，即它是逐位串行接收由通信線路上傳來的數(shù)據(jù)，每接收一位，移位一串行接收由通信線路上傳來的數(shù)據(jù)，每接收一位，移位一次。當(dāng)移位寄存器次。當(dāng)移位寄存器B被裝滿之后，再并行輸出到系統(tǒng)被裝滿之后，再并行輸出到系統(tǒng)B中中去。去。例例3 利用移位寄存器實(shí)現(xiàn)碼序列檢測器。利用移位寄存器實(shí)

10、現(xiàn)碼序列檢測器。7.2 串行加法器串行加法器n前面討論的加法器稱為前面討論的加法器稱為并行加法器并行加法器。相加的二進(jìn)制數(shù)有多。相加的二進(jìn)制數(shù)有多少位就相應(yīng)需要多少位全加器電路，各位的加法操作是并少位就相應(yīng)需要多少位全加器電路，各位的加法操作是并行進(jìn)行的。行進(jìn)行的。n在實(shí)際使用中，對于速度要求不高的場合，還可采用在實(shí)際使用中，對于速度要求不高的場合，還可采用串行串行加法器加法器。串行加法器串行加法器比較：比較：n串行加法器結(jié)構(gòu)比并行加法器簡單，所用設(shè)備較省。串行加法器結(jié)構(gòu)比并行加法器簡單，所用設(shè)備較省。n串行加法器速度比并行加法器慢，實(shí)現(xiàn)串行加法器速度比并行加法器慢，實(shí)現(xiàn)n位二進(jìn)制數(shù)相加，位二

11、進(jìn)制數(shù)相加，串行加法器需要串行加法器需要n個(gè)個(gè)CP脈沖才能完成，而并行加法器只需脈沖才能完成，而并行加法器只需一個(gè)一個(gè)CP脈沖即可完成。脈沖即可完成。(5-23) 1、計(jì)數(shù)器的概念和分類、計(jì)數(shù)器的概念和分類（1）. 計(jì)數(shù)器的概念 計(jì)數(shù)器是一種用來對輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的時(shí)序邏輯電路 記憶輸入脈沖的個(gè)數(shù)。用于定時(shí)、分頻、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等等。（2）. 計(jì)數(shù)器的分類按工作方式分：同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器。按功能分：加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器。按計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)循環(huán)規(guī)律(或稱模數(shù))來分：二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、二十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等等。 7.3 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器2. 二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)

12、器n特點(diǎn)特點(diǎn)：計(jì)數(shù)脈沖同時(shí)作用到各位觸發(fā)器的：計(jì)數(shù)脈沖同時(shí)作用到各位觸發(fā)器的CP端，當(dāng)計(jì)數(shù)端，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖到來后，該翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器都同時(shí)翻轉(zhuǎn)。同步計(jì)數(shù)器也脈沖到來后，該翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器都同時(shí)翻轉(zhuǎn)。同步計(jì)數(shù)器也稱并行計(jì)數(shù)器。稱并行計(jì)數(shù)器。(1) 二進(jìn)制同步加二進(jìn)制同步加1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器n計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器的“模?！保?計(jì)數(shù)器工作時(shí)總是從某個(gè)起始狀態(tài)出發(fā)，依次經(jīng)過所有狀計(jì)數(shù)器工作時(shí)總是從某個(gè)起始狀態(tài)出發(fā)，依次經(jīng)過所有狀態(tài)后完成一次循環(huán)，通常稱一次循環(huán)所包括的狀態(tài)數(shù)為態(tài)后完成一次循環(huán)，通常稱一次循環(huán)所包括的狀態(tài)數(shù)為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器的“模模”。n3位二進(jìn)制同步加位二進(jìn)制同步加1計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下圖所示。由計(jì)數(shù)器的

13、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下圖所示。由圖可見圖可見,該計(jì)數(shù)器的模為該計(jì)數(shù)器的模為8。0 0 00 0 10 1 00 1 11 1 11 1 01 0 11 0 0用用D觸發(fā)器構(gòu)成三位二進(jìn)制同步加觸發(fā)器構(gòu)成三位二進(jìn)制同步加1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器n第一步：列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表（簡稱狀態(tài)表）第一步：列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表（簡稱狀態(tài)表）n第二步：列出觸發(fā)器的激勵(lì)函數(shù)表（簡稱激勵(lì)表），以求第二步：列出觸發(fā)器的激勵(lì)函數(shù)表（簡稱激勵(lì)表），以求出各觸發(fā)器的出各觸發(fā)器的D端激勵(lì)函數(shù)表達(dá)式。端激勵(lì)函數(shù)表達(dá)式。從次態(tài)真值表推出激勵(lì)表從次態(tài)真值表推出激勵(lì)表(以以D觸發(fā)器為例觸發(fā)器為例) D觸發(fā)器的次態(tài)真值表觸發(fā)器的次態(tài)真值表 D觸發(fā)器的激勵(lì)表觸發(fā)器的

14、激勵(lì)表輸入輸入現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài)次態(tài)次態(tài)DQQn+1 000010101111現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài)次態(tài)次態(tài)輸入輸入QQn+1 D0001000111113位二進(jìn)制加位二進(jìn)制加1計(jì)數(shù)器的激勵(lì)表計(jì)數(shù)器的激勵(lì)表現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài)次態(tài)次態(tài)激勵(lì)函數(shù)激勵(lì)函數(shù)Q3 Q2 Q1Q3n+1 Q2n+1 Q1n+1D3 D2 D10 0 00 0 10 0 10 0 10 1 00 1 00 1 00 1 10 1 10 1 11 0 01 0 01 0 01 0 11 0 11 0 11 1 01 1 01 1 01 1 11 1 11 1 10 0 00 0 0n第三步：利用卡諾圖化簡，得到第三步：利用卡諾圖化簡，得到D3,D2,D1的的激

15、勵(lì)函數(shù)表達(dá)式：激勵(lì)函數(shù)表達(dá)式：112121232132313QDQQQQDQQQQQQQDn第四步：根據(jù)激勵(lì)函數(shù)表達(dá)式畫出邏輯圖第四步：根據(jù)激勵(lì)函數(shù)表達(dá)式畫出邏輯圖(2) 二進(jìn)制同步減二進(jìn)制同步減1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器減減1計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)器的狀態(tài)圖與二進(jìn)制同步加狀態(tài)圖與二進(jìn)制同步加1計(jì)數(shù)器相似，僅流向計(jì)數(shù)器相似，僅流向相反。相反。(3) 可逆計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)器n可逆計(jì)數(shù)器是可逆計(jì)數(shù)器是兼有遞加和遞減兩種功能兼有遞加和遞減兩種功能的計(jì)數(shù)器，它能按的計(jì)數(shù)器，它能按照給定的控制信號(hào)從遞加計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成遞減計(jì)數(shù)，或者從遞照給定的控制信號(hào)從遞加計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成遞減計(jì)數(shù)，或者從遞減計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換成遞加計(jì)數(shù)，所以也稱可逆計(jì)數(shù)器為減計(jì)數(shù)

16、轉(zhuǎn)換成遞加計(jì)數(shù)，所以也稱可逆計(jì)數(shù)器為雙向計(jì)數(shù)雙向計(jì)數(shù)器器。n為了實(shí)現(xiàn)加、減計(jì)數(shù)功能，可逆計(jì)數(shù)器應(yīng)設(shè)為了實(shí)現(xiàn)加、減計(jì)數(shù)功能，可逆計(jì)數(shù)器應(yīng)設(shè)“加加1控制控制”和和“減減1控制控制”，有的還設(shè)有，有的還設(shè)有“計(jì)數(shù)控制計(jì)數(shù)控制”。一個(gè)由。一個(gè)由T觸發(fā)觸發(fā)器及有關(guān)控制電路構(gòu)成的可逆二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器如器及有關(guān)控制電路構(gòu)成的可逆二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器如圖圖7.19所示所示。 圖圖7.19 可逆計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)器n由圖由圖7.19可以看出：當(dāng)計(jì)數(shù)控制為可以看出：當(dāng)計(jì)數(shù)控制為1時(shí)，若加時(shí)，若加1控制為控制為1，減減1控制為控制為0，則該計(jì)數(shù)，則該計(jì)數(shù)器具有加器具有加1計(jì)數(shù)功能計(jì)數(shù)功能；n當(dāng)計(jì)數(shù)控制為當(dāng)計(jì)數(shù)控制為1，若加

17、，若加1控制為控制為0，而減，而減1控制為控制為1時(shí)，則該時(shí)，則該計(jì)數(shù)器具有減計(jì)數(shù)器具有減1計(jì)數(shù)功能；計(jì)數(shù)功能；n當(dāng)計(jì)數(shù)控制為當(dāng)計(jì)數(shù)控制為0時(shí)，計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)。顯然，在計(jì)數(shù)控制為時(shí)，計(jì)數(shù)器不計(jì)數(shù)。顯然，在計(jì)數(shù)控制為1時(shí)，加時(shí)，加1控制和減控制和減1控制不允許同時(shí)為控制不允許同時(shí)為1。7.3.4 非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器n類型：十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、八進(jìn)制計(jì)數(shù)器、循環(huán)碼計(jì)數(shù)器等類型：十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、八進(jìn)制計(jì)數(shù)器、循環(huán)碼計(jì)數(shù)器等 舉例：用舉例：用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)觸發(fā)器設(shè)計(jì)8421編碼的十進(jìn)制加編碼的十進(jìn)制加1計(jì)數(shù)器：計(jì)數(shù)器：n第一步：列狀態(tài)轉(zhuǎn)換表第一步：列狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)轉(zhuǎn)換表Q4Q3Q2Q1Q4(n

18、+1)Q3(n+1)Q2(n+1)Q1(n+1)0 0 0 00 0 0 1 0 0 0 10 0 1 0 0 0 1 00 0 1 1 0 0 1 10 1 0 0 0 1 0 00 1 0 1 0 1 0 10 1 1 0 0 1 1 00 1 1 1 0 1 1 11 0 0 0 1 0 0 01 0 0 1 1 0 0 10 0 0 0 1 0 1 0d 1 d 0 d 1 d 1 1 0 1 1d 0 d 1 d 0 d 0 1 1 0 0d 1 d 1 d 0 d 1 1 1 0 1d 0 d 1 D 0 d 0 1 1 1 0d 1 d 1 d 1 d 1 1 1 1 1d 1 d 0 d 0 d 0 n第二步：卡諾圖化簡，求各第二步：卡諾圖化簡，求各D觸發(fā)器的激勵(lì)函數(shù)表達(dá)式。觸發(fā)器的激勵(lì)函數(shù)表達(dá)式。n第三步：畫出計(jì)數(shù)器的邏輯圖。第三步：畫出計(jì)數(shù)器的邏輯圖。n第四步：檢查所有設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器是否存在第四步：檢查所有設(shè)計(jì)的計(jì)數(shù)器是否存在“掛起掛起”現(xiàn)象。現(xiàn)象。n由此畫出的相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖稱為由此畫出的相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖稱為完整狀態(tài)圖，完整狀態(tài)圖，其中既包其中既包含含有效狀態(tài)序列有效狀態(tài)序列，也包含，也包含偏離狀態(tài)序列偏離狀態(tài)序列。n如果偏離狀態(tài)經(jīng)過幾個(gè)節(jié)