數(shù)字邏輯時序分析概述

第5章時序邏輯電路

5.3中規(guī)模時序電路5.2時序邏輯電路分析5.4時序邏輯電路設(shè)計5.1時序邏輯電路概述1

在數(shù)字系統(tǒng)中常常用到的邏輯電路按其結(jié)構(gòu)特點、邏輯關(guān)系和分析方法，通?？梢苑譃閮纱箢悾阂?、時序邏輯電路與組合邏輯電路的區(qū)別數(shù)字邏輯電路組合邏輯電路時序邏輯電路無記憶功能1、組合邏輯電路的特點：（1）電路中不含任何記憶元件

（2）電路中不存在任何反饋支路（3）輸出僅與當(dāng)時的輸入有關(guān)總起來一句話：2時序邏輯電路的特點

結(jié)構(gòu)特點：由組合邏輯電路和存儲電路組成；存儲電路必不可少，存儲電路由觸發(fā)器或由具有反饋回路的電路構(gòu)成；組合邏輯電路的輸出至少有一路作為存儲電路的輸入，而存儲電路的輸出至少有一路作為組合邏輯電路的輸入5.1時序邏輯電路概述

邏輯特點：任何時刻電路的輸出不僅取決于該時刻的輸入信號，而與這一時刻輸入信號作用之前電路原來所處的狀態(tài)有關(guān)，即與以前的輸入信號和輸出有關(guān)3時序邏輯電路的一般框圖描述

輸出方程Z(tn)＝F[X(tn),Q(tn)]激勵方程W(tn)

＝G[X(tn),Q(tn)]狀態(tài)方程Q(tn+1)

＝H[W(tn),Q(tn)]組合邏輯電路存儲電路X(x1,x2,…xn)Z(z1,z2,…zn)W(w1,w2,…wn)Q(q1,q2,…qn)5.1時序邏輯電路概述4米里型（MEALY）:輸出是現(xiàn)狀態(tài)和外輸入的函數(shù)，即輸出與外輸入和當(dāng)前狀態(tài)均有關(guān)的時序電路叫～。x1xiQ1nQknCPZ2）還可分為：莫爾型（MOORE）和米里型（MEALY）莫爾型（MOORE）:輸出是現(xiàn)狀態(tài)的函數(shù)，即輸出僅與當(dāng)前狀態(tài)(現(xiàn)狀態(tài))有關(guān)，與外部輸入無關(guān)的時序電路叫～。CPQ1Q2QKZ計數(shù)器………按時鐘控制方式分（本教材內(nèi)容主要按此方式進(jìn)行討論）

同步時序電路——由統(tǒng)一的時鐘控制的時序電路。異步時序電路——不受統(tǒng)一的時鐘控制的時序電路。55.2時序邏輯電路分析根據(jù)給定邏輯電路，確定電路的類型，找出電路的邏輯功能時序邏輯電路分析建立在組合邏輯電路和觸發(fā)器分析方法的基礎(chǔ)上，主要利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表、狀態(tài)方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、時序圖等工具進(jìn)行分析常見的典型時序邏輯電路有：數(shù)碼寄存器、移位寄存器，同步計數(shù)器、異步計數(shù)器等分析目的65.2.1時序邏輯電路的分析步驟☆分析給定邏輯圖，確定是同步還是異步時序邏輯電路，如果是異步時序邏輯電路，需逐級確定每個觸發(fā)器的時鐘方程☆根據(jù)邏輯圖，逐級寫出每個觸發(fā)器的激勵方程即W(tn)

＝G[X(tn),Q(tn)]☆根據(jù)激勵方程逐級寫出每個觸發(fā)器的狀態(tài)方程即Q(tn＋1)＝H[W(tn),Q(tn)]；寫出電路的輸出方程即Z(tn)＝F[X(tn),Q(tn)]☆根據(jù)狀態(tài)方程、輸出方程列出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖☆畫出時序圖☆概括電路的邏輯功能7給定時序電路輸出函數(shù)時鐘函數(shù)激勵函數(shù)狀態(tài)函數(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移表狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖工作波形分析得出結(jié)論：說明邏輯功能(分析異步時序電路時才寫出)

85.2.1時序邏輯電路的分析步驟例1分析圖示時序邏輯電路C11J1KQ3Q1CPC11J1KC11K&&&1J&&Q1Q2ZQ2Q3123解由邏輯圖可見，電路由三個下降沿觸發(fā)JK觸發(fā)器構(gòu)成，各觸發(fā)器的時鐘脈沖都是CP，所以它是同步時序邏輯電路。電路的輸出是Z，輸出Z只與觸發(fā)器狀態(tài)有關(guān)，所以它是摩爾（Moore）型同步時序邏輯電路9(1)寫激勵方程(2)寫狀態(tài)方程和輸出方程同步時序邏輯電路的各級觸發(fā)器時鐘CP完全相同，狀態(tài)方程中可以省略不標(biāo)注5.2.1時序邏輯電路的分析步驟10(3)列狀態(tài)轉(zhuǎn)移表輸出Z次態(tài)初態(tài)序號偏離狀態(tài)000010010011101102010010301101141011015000100000111100100101005.2.1時序邏輯電路的分析步驟11(4)畫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖000001011/0/Z/0/0/0/1010110/0101111100/1/05.2.1時序邏輯電路的分析步驟12(5)畫工作波形（時序圖）CPQ1ZQ2Q35.2.1時序邏輯電路的分析步驟13(5)結(jié)論通過分析可見，這是一個同步時序邏輯電路，它沒有外輸入，在時鐘脈沖作用下每6個時鐘周期產(chǎn)生一次狀態(tài)循環(huán)，同時產(chǎn)生輸出；這個循環(huán)稱為有效循環(huán)，有效循環(huán)內(nèi)包含有6個有效狀態(tài)。此外還有兩個偏離狀態(tài)，但是，最多經(jīng)歷兩個時鐘脈沖的作用，偏離狀態(tài)便可自動地引入有效循環(huán)，常稱電路具有“自啟動性”概括起來，該電路是一個具有自啟動性的6進(jìn)制計數(shù)器

5.2.1時序邏輯電路的分析步驟145.2.2常用時序邏輯電路1.寄存器/移位寄存器觸發(fā)器具有記憶功能，可以存儲二進(jìn)制數(shù)碼，D觸發(fā)器就是一位數(shù)碼寄存器，多個D觸發(fā)器可構(gòu)成多位數(shù)碼寄存器各觸發(fā)器在時鐘CP作用下，將D輸入端的數(shù)據(jù)存入觸發(fā)器，所以這里的CP稱為存數(shù)指令

CP(存數(shù)指令）C11DQ1D1C11DQ2D2C11DQ3D3C11DQ4D41234155.2.2寄存器、移位寄存器移位寄存器

CP(移存脈沖）C11DQ1vIC11DQ2C11DQ3C11DQ43214左移移位寄存器CP(移存脈沖）C11DQ4vIC11DQ3C11DQ2C11DQ14321右移移位寄存器16雙向移位寄存器CP1DQ41DQ31DQ21DQ1C1C1C1C112341D1D1D1D≥1&&≥1&&≥1&&≥1&&1ABM右移輸入左移輸入控制(移存脈沖)5.2.2寄存器、移位寄存器17移位寄存器應(yīng)用☆并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行CP(移存脈沖）C11DQ1C11DQ2C11DQ3C11DQ41234C11DQ55&&&&&D1D2D3D4D5串行輸入并行輸出指令通常數(shù)據(jù)有串行和并行兩種傳輸、處理方式，數(shù)據(jù)輸入時分為串入、并入，數(shù)據(jù)輸出時分為串出、并出；移位寄存器可以實現(xiàn)這兩種方式之間的轉(zhuǎn)換5.2.2寄存器、移位寄存器18移位寄存器應(yīng)用☆串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行1100Q1Q2Q3Q4Q5CP并行輸出11100D1D2D3D4D510011DO100115－10014－－1003－－－102－－－－11－－－－－0Q5Q4Q3Q2Q1No.5.2.2寄存器、移位寄存器19移位寄存器應(yīng)用☆并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行CP1DQ11DQ21DQ31DQ4C1C1C1C143211D1D1D1D&RDRM&&11DC151D&&&&&&RRRRDI1DI2DI3DI4DI5Q5輸出并行取樣5.2.2寄存器、移位寄存器20移位寄存器應(yīng)用☆并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行1000010010009101008010107并入101016100005110004011003串行輸出001102并入100111000000Q5Q4Q3Q2Q1序號5.2.2寄存器、移位寄存器21移位寄存器應(yīng)用☆并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行CP并行采樣RDQ1Q2Q3Q4Q5DI5DI4DI2DI111001DI30110110101005.2.2寄存器、移位寄存器222同步計數(shù)器計數(shù)統(tǒng)計時鐘脈沖的個數(shù)計數(shù)器能夠完成對時鐘脈沖計數(shù)操作的電路稱為計數(shù)器，它是數(shù)字系統(tǒng)中使用最多的電路之一，幾乎所有的數(shù)字設(shè)備中都有計數(shù)器計數(shù)器的用途計數(shù)器的最基本的用途當(dāng)然是計數(shù)；除此之外，計數(shù)器還能實現(xiàn)分頻、定時、數(shù)字運算等操作235.2.3同步計數(shù)器加法（增量）計數(shù)器減法（減量）計數(shù)器可逆計數(shù)器二進(jìn)制計數(shù)器非二進(jìn)制計數(shù)器可變進(jìn)制（模值）計數(shù)器計數(shù)器分類按計數(shù)器的時鐘控制類型分同步計數(shù)器和異步計數(shù)器按計數(shù)器的計數(shù)規(guī)律分按計數(shù)器的計數(shù)進(jìn)制（模值）分24同步二進(jìn)制計數(shù)器CPC11J1KQ3RDC11J1KC11K1J&&Q1Q2ZQ4123C11K1J&4&&5.2.3同步計數(shù)器25同步二進(jìn)制計數(shù)器輸出ZN(t)S(t)序號輸出ZN(t)S(t)序號10101010110011001111000011111111Q4Q3Q2Q17654321000000000Q4Q3Q2Q11111000011001100101010101000015000010111114011100011113001100101112010100001111000100110110011000010190010001001801000Q4Q3Q2Q1Q4Q3Q2Q1同步4位二進(jìn)制加法計數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移表5.2.3同步計數(shù)器同步二進(jìn)制計數(shù)器26同步二－十進(jìn)制計數(shù)器C11J1KQ3RDC11KC11K1J&&Q1Q2ZQ4123C11K1J&4&1J&Q4CP5.2.3同步計數(shù)器2791000010019801001000187000011110760111001106500110101054010100010430001011003201100010021001001000100100000000Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4S(t)代表的十進(jìn)制數(shù)輸出ZN(t)S(t)序號二－十進(jìn)制加法計數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移表5.2.3同步計數(shù)器同步二－十進(jìn)制計數(shù)器281111011100101011101100110010110111010101Q1Q2Q3Q4Q1Q2Q3Q4N(t)S(t)二－十進(jìn)制加法計數(shù)器偏離狀態(tài)轉(zhuǎn)移表000011115.2.3同步計數(shù)器同步二－十進(jìn)制計數(shù)器29同步二－十進(jìn)制加法計數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖/Z/0/000000001001000110100/0/0/0/001010110011110001001/0/0/0/1/011101111110111001010/0/1/11011/1/0有效狀態(tài)偏離狀態(tài)5.2.3同步計數(shù)器30同步二－十進(jìn)制加法計數(shù)器工作波形CPQ1Q2Q3Q4Z5.2.3同步計數(shù)器31計數(shù)進(jìn)制，計數(shù)模值，循環(huán)長度，分頻計數(shù)器從初始狀態(tài)開始，在時鐘脈沖的作用下狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移，經(jīng)過M個時鐘脈沖之后，計數(shù)器又回到初始狀態(tài)，同時產(chǎn)生進(jìn)位輸出，并開始新的一輪計數(shù)，故稱其為M進(jìn)制計數(shù)器，或稱為模M計數(shù)器；由于在它的有效循環(huán)內(nèi)包含M個有效狀態(tài)又稱其循環(huán)長度為M。M就是計數(shù)器的計數(shù)進(jìn)制，又是計數(shù)模值，也是循環(huán)長度計數(shù)器的輸出脈沖周期與時鐘脈沖周期有M倍的關(guān)系即TZ＝MTCP或fZ＝fCP(1/M)

，輸出脈沖的頻率為時鐘頻率的M分之一，稱M分頻5.2.3同步計數(shù)器323異步計數(shù)器異步計數(shù)器中各級觸發(fā)器的時鐘脈沖不是相同的，因此觸發(fā)時刻不同3