【大學(xué)課件】時(shí)序邏輯電路分析與設(shè)計(jì)方法

時(shí)序邏輯電路分析與設(shè)計(jì)方法本課程將介紹時(shí)序邏輯電路的基本概念、分析方法和設(shè)計(jì)流程。時(shí)序邏輯電路概述記憶功能時(shí)序邏輯電路具有記憶功能，可以存儲(chǔ)之前輸入的狀態(tài)，并根據(jù)當(dāng)前輸入和存儲(chǔ)的狀態(tài)產(chǎn)生輸出。狀態(tài)變化電路的輸出不僅取決于當(dāng)前輸入，還取決于電路先前所處的狀態(tài)。應(yīng)用廣泛時(shí)序邏輯電路在數(shù)字系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，如計(jì)數(shù)器、寄存器、移位寄存器、狀態(tài)機(jī)等。時(shí)序邏輯電路基礎(chǔ)時(shí)序邏輯電路時(shí)序邏輯電路是指輸出不僅與當(dāng)前輸入有關(guān)，還與電路過去的狀態(tài)有關(guān)的電路。狀態(tài)電路的狀態(tài)是指電路在某個(gè)時(shí)刻的內(nèi)部信息，通常用寄存器或觸發(fā)器來存儲(chǔ)。反饋時(shí)序邏輯電路包含反饋回路，使輸出能夠影響后續(xù)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)記憶功能。時(shí)序邏輯電路的分類1同步時(shí)序邏輯電路所有觸發(fā)器都由同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制，電路狀態(tài)變化僅發(fā)生在時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿。2異步時(shí)序邏輯電路電路中不同觸發(fā)器可能由不同的時(shí)鐘信號(hào)控制，或沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，狀態(tài)變化不受時(shí)鐘信號(hào)控制。時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)圖狀態(tài)圖是描述時(shí)序邏輯電路行為的一種圖形表示方法，它將電路的各個(gè)狀態(tài)和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系用圖形符號(hào)表示出來，直觀地反映了電路的工作過程。狀態(tài)圖由狀態(tài)節(jié)點(diǎn)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移弧和輸入/輸出信號(hào)組成。狀態(tài)節(jié)點(diǎn)表示電路可能處于的各個(gè)狀態(tài)；狀態(tài)轉(zhuǎn)移弧表示電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)的條件；輸入/輸出信號(hào)表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)電路的輸入和輸出信號(hào)。狀態(tài)圖可以幫助我們更好地理解時(shí)序邏輯電路的工作原理，并進(jìn)行電路的分析和設(shè)計(jì)。時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表狀態(tài)轉(zhuǎn)移表是描述時(shí)序邏輯電路行為的一種表格形式，它以表格的形式列出電路的所有狀態(tài)和輸入組合，以及相應(yīng)的下一狀態(tài)和輸出。狀態(tài)轉(zhuǎn)移表是設(shè)計(jì)和分析時(shí)序邏輯電路的重要工具。狀態(tài)轉(zhuǎn)移表可以幫助我們理解電路的運(yùn)行機(jī)制，以及如何根據(jù)輸入和當(dāng)前狀態(tài)來預(yù)測電路的下一狀態(tài)和輸出。狀態(tài)轉(zhuǎn)移表也可以用來驗(yàn)證電路的設(shè)計(jì)是否符合預(yù)期。同步時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)定義狀態(tài)確定電路需要執(zhí)行的不同狀態(tài)，例如“等待輸入”或“執(zhí)行操作”。設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移根據(jù)輸入信號(hào)和當(dāng)前狀態(tài)定義狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，說明如何在不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。選擇觸發(fā)器根據(jù)電路的時(shí)鐘頻率和狀態(tài)存儲(chǔ)要求選擇合適的觸發(fā)器類型。設(shè)計(jì)組合邏輯根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則和觸發(fā)器選擇，設(shè)計(jì)組合邏輯電路來生成觸發(fā)器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。同步時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)機(jī)分析狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖使用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來描述狀態(tài)機(jī)的行為，清晰地展示狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換和相應(yīng)的輸出變化。狀態(tài)轉(zhuǎn)移表通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，可以系統(tǒng)地記錄狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系、輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的變化情況。時(shí)序圖時(shí)序圖可以直觀地展示狀態(tài)機(jī)的時(shí)序行為，包括狀態(tài)、輸入、輸出和時(shí)鐘信號(hào)的變化關(guān)系。同步時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)1狀態(tài)機(jī)定義明確狀態(tài)機(jī)功能,確定狀態(tài)、輸入和輸出.2狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖將狀態(tài)機(jī)功能用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖描述.3狀態(tài)轉(zhuǎn)移表將狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖轉(zhuǎn)換為狀態(tài)轉(zhuǎn)移表.4邏輯表達(dá)式根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移表推導(dǎo)出狀態(tài)機(jī)邏輯表達(dá)式.同步時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)主要包括五個(gè)步驟:狀態(tài)機(jī)定義、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移表、邏輯表達(dá)式和電路實(shí)現(xiàn).狀態(tài)機(jī)定義是設(shè)計(jì)的第一步,定義狀態(tài)機(jī)功能并確定狀態(tài)、輸入和輸出.同步時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)1狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器用于存儲(chǔ)當(dāng)前狀態(tài)。2組合邏輯電路組合邏輯電路用于根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和輸入信號(hào)產(chǎn)生下一狀態(tài)和輸出信號(hào)。3時(shí)鐘信號(hào)時(shí)鐘信號(hào)用于控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)機(jī)。異步時(shí)序邏輯電路分析無需統(tǒng)一時(shí)鐘信號(hào)，電路狀態(tài)變化由輸入信號(hào)變化直接觸發(fā)存在競爭和冒險(xiǎn)現(xiàn)象，可能導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)移不穩(wěn)定使用邏輯門電路和反饋回路實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移異步時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)機(jī)分析分析異步時(shí)序電路的狀態(tài)機(jī)，需要關(guān)注電路的**狀態(tài)轉(zhuǎn)移**和**輸出行為**。通常使用**狀態(tài)圖**和**狀態(tài)轉(zhuǎn)移表**來描述異步時(shí)序電路的狀態(tài)機(jī)。分析時(shí)序電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，需要**確定所有可能的輸入組合**，以及對應(yīng)的**狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出**。異步時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)1狀態(tài)編碼2狀態(tài)轉(zhuǎn)移3輸出邏輯異步時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)需要考慮狀態(tài)編碼、狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出邏輯的設(shè)計(jì)。異步時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)1電路設(shè)計(jì)根據(jù)狀態(tài)機(jī)模型選擇合適的邏輯門和觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)電路。2邏輯優(yōu)化對電路進(jìn)行邏輯優(yōu)化，簡化電路結(jié)構(gòu)，降低成本。3仿真測試使用仿真軟件進(jìn)行測試，驗(yàn)證電路功能是否符合設(shè)計(jì)要求。4硬件實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)好的電路用硬件實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行實(shí)際測試。時(shí)序邏輯電路的觸發(fā)器基本單元觸發(fā)器是時(shí)序邏輯電路的基本單元，能夠存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。狀態(tài)保持觸發(fā)器可以保持其狀態(tài)，即使沒有輸入信號(hào)，也可以保持之前存儲(chǔ)的信息。時(shí)鐘控制觸發(fā)器的狀態(tài)變化通常由時(shí)鐘信號(hào)控制，保證電路同步工作。常用的時(shí)序邏輯電路觸發(fā)器RS觸發(fā)器是最基本的觸發(fā)器，具有兩種狀態(tài)：置位狀態(tài)和復(fù)位狀態(tài)。D觸發(fā)器數(shù)據(jù)觸發(fā)器，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿將數(shù)據(jù)輸入鎖存到輸出端。JK觸發(fā)器具有兩種狀態(tài)：置位狀態(tài)和復(fù)位狀態(tài)，并且可以通過時(shí)鐘信號(hào)改變其狀態(tài)。T觸發(fā)器在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿或下降沿改變其狀態(tài)，并且可以通過時(shí)鐘信號(hào)改變其狀態(tài)。時(shí)序邏輯電路中的觸發(fā)器應(yīng)用計(jì)數(shù)器觸發(fā)器可以用來構(gòu)建計(jì)數(shù)器，例如二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器等，用于記錄脈沖數(shù)量或控制定時(shí)器。移位寄存器觸發(fā)器也可以用來構(gòu)建移位寄存器，用于存儲(chǔ)和移動(dòng)數(shù)據(jù)，例如數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)據(jù)通信。內(nèi)存觸發(fā)器是構(gòu)成內(nèi)存單元的基本元素，例如靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）。時(shí)序邏輯電路中的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)功能計(jì)數(shù)器是專門用于計(jì)數(shù)的時(shí)序邏輯電路，其功能是根據(jù)輸入脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并在輸出端顯示或存儲(chǔ)計(jì)數(shù)結(jié)果。類型計(jì)數(shù)器主要分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器兩種，根據(jù)計(jì)數(shù)方向可分為向上計(jì)數(shù)器和向下計(jì)數(shù)器。應(yīng)用計(jì)數(shù)器在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，例如計(jì)時(shí)器、頻率計(jì)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。常用的時(shí)序邏輯電路計(jì)數(shù)器二進(jìn)制計(jì)數(shù)器最常見的類型，計(jì)數(shù)器輸出為二進(jìn)制代碼，每個(gè)狀態(tài)對應(yīng)唯一的二進(jìn)制值。十進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器輸出為十進(jìn)制代碼，通常使用BCD碼表示。環(huán)形計(jì)數(shù)器輸出狀態(tài)循環(huán)變化，可以用于產(chǎn)生時(shí)序控制信號(hào)。時(shí)序邏輯電路中的計(jì)數(shù)器應(yīng)用數(shù)字計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)器可用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字計(jì)時(shí)器，例如秒表、倒計(jì)時(shí)器和時(shí)鐘。自動(dòng)門控制計(jì)數(shù)器可以用于控制自動(dòng)門，例如超市的自動(dòng)門或電梯門。交通信號(hào)燈控制計(jì)數(shù)器可以用于實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)燈系統(tǒng)，控制交通流量。時(shí)序邏輯電路中的寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)寄存器是用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。組合邏輯寄存器內(nèi)部通常包含多個(gè)觸發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能。數(shù)據(jù)傳輸寄存器可以用來在電路中傳輸數(shù)據(jù)，例如用于數(shù)據(jù)緩存或臨時(shí)存儲(chǔ)。常用的時(shí)序邏輯電路寄存器1移位寄存器用于存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)位。每個(gè)觸發(fā)器存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)，時(shí)鐘信號(hào)控制數(shù)據(jù)位在觸發(fā)器之間的移動(dòng)。2通用寄存器由多個(gè)觸發(fā)器組成，每個(gè)觸發(fā)器對應(yīng)數(shù)據(jù)的一位。數(shù)據(jù)可以同時(shí)寫入所有觸發(fā)器，并同時(shí)讀取。3雙向寄存器可以雙向傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)既可以寫入，也可以讀取。通常使用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)。時(shí)序邏輯電路中的寄存器應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器可以用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，寄存器可以用來存儲(chǔ)CPU正在處理的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸寄存器可以用來在不同的電路模塊之間傳輸數(shù)據(jù)，例如在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，寄存器可以用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，例如在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，寄存器可以用來存儲(chǔ)CPU正在處理的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理寄存器可以用來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，例如在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，寄存器可以用來存儲(chǔ)CPU正在處理的數(shù)據(jù)。時(shí)序邏輯電路中的移位寄存器數(shù)據(jù)移動(dòng)移位寄存器用于按位移動(dòng)數(shù)據(jù)。它們可以將數(shù)據(jù)向左或向右移動(dòng)。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)移位寄存器可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行移位操作?？刂菩盘?hào)移位寄存器可以通過控制信號(hào)來控制數(shù)據(jù)移位的方向和頻率。常用的時(shí)序邏輯電路移位寄存器串行輸入串行輸出(SISO)數(shù)據(jù)一位一位地從串行輸入端移入，再從串行輸出端移出。串行輸入并行輸出(SIPO)數(shù)據(jù)一位一位地從串行輸入端移入，最后以并行形式從多個(gè)輸出端輸出。并行輸入串行輸出(PISO)數(shù)據(jù)一次性從多個(gè)輸入端寫入，再從串行輸出端一位一位地移出。并行輸入并行輸出(PIPO)數(shù)據(jù)一次性從多個(gè)輸入端寫入，最后以并行形式從多個(gè)輸出端輸出。時(shí)序邏輯電路中的移位寄存器應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸串行通信數(shù)字信號(hào)處理時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程根據(jù)功能需求，確定電路的功能和性能指標(biāo)。狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電路的狀態(tài)機(jī)，包括狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表。邏輯電路設(shè)計(jì)根據(jù)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，確定邏輯電路的結(jié)構(gòu)和器件類型。電路實(shí)現(xiàn)根據(jù)電路設(shè)計(jì)，選擇合適的硬件平臺(tái)，并完成電路的搭建和調(diào)試。時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)的基本步驟1需求分析明確電路的功能和性能指標(biāo)2狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)建立狀態(tài)圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表3電路實(shí)現(xiàn)選擇合適的觸發(fā)器和邏輯