数字电路寄存器

1、一、时序电路的特点一、时序电路的特点1. 定义定义任何时刻电路的输出，任何时刻电路的输出，不仅和该时刻的输入信不仅和该时刻的输入信号有关，而且还取决于号有关，而且还取决于电路原来的状态。电路原来的状态。2. 电路特点电路特点(1) 与时间与时间 (CP) 有关；有关；(2) 含有记忆性的元件含有记忆性的元件( (触发器触发器) )。组合逻辑组合逻辑电电 路路存储电路存储电路x1xiy1yjw1wkq1ql输输入入输输出出二、时序电路逻辑功能表示方法二、时序电路逻辑功能表示方法1. 逻辑表达式（逻辑表达式（三大方程三大方程）(1) 输出方程输出方程)(),( )(nnntQtXFtY (3) 状

2、态方程状态方程)(),( )(1nnntQtWHtQ (2) 驱动方程驱动方程)(),( )(nnntQtXGtW 2. 状态表、状态图、时序图状态表、状态图、时序图 （卡诺图）（卡诺图）组合逻辑组合逻辑电电 路路存储电路存储电路x1xiy1yjw1wkq1qlx1y1y2JKQ1Q2x21J1KC1CP输出方程输出方程：输出变量的表达式。：输出变量的表达式。驱动驱动( (激励激励) )方程：方程：触发器输入信号的表达式。触发器输入信号的表达式。状态状态( (次态次态) )方程方程：次态输出的表达式。：次态输出的表达式。 驱动方程代入特性方程。驱动方程代入特性方程。时钟方程：时钟方程：控制时钟

3、控制时钟CP表达式表达式x1y1y2JKQ1Q2x21J1KC1CP三、时序电路分类三、时序电路分类1. 按功能划分：按功能划分：计数器、寄存器等计数器、寄存器等2. 按时钟控制方式划分：按时钟控制方式划分：同步时序电路同步时序电路触发器共用一个时钟触发器共用一个时钟 CP异步时序电路异步时序电路触发器不共用触发器不共用 CP3. 按输出信号的特性划分：按输出信号的特性划分：)( )(nntQFtY )(),( )(nnntQtXFtY 存储存储电路电路Y(tn)输出输出WQX(tn)输入输入组合组合电路电路CPY(tn)输出输出CPX(tn)输入输入存储存储电路电路组合组合电路电路组合组合电

4、路电路&1&1DC1=1=11DC1ACPQ1Q1Q2Q2YFF1FF21DC1 Q0 Q0FF01DC1 Q1 Q1FF11DC1Q2Q2FF2CP&给定时序电路给定时序电路分析电路组成分析电路组成时钟时钟、状态表、状态图状态表、状态图求出求出说明功能说明功能触发器特触发器特性方程性方程Qn+1=S+RQQn+1=DQn+1=JQ+KQQn+1=TQ例例1 11J1J1K1KC1C1Q Q0 0Q Q0 0FFFF0 01J1J1K1KC1C1Q Q1 1Q Q1 1FFFF1 11J1J1K1KC1C1Q Q2 2Q Q2 2FFFF2 2CPCP& &am

5、p;Y Y写激励方程：写激励方程：J0 = Qn2 ；K0= Qn2J1 = Qn0 ；K1= Qn0J2 = Qn1 ；K2= Qn1求状态方程：求状态方程：Q0n+1= Qn2Qn0 + Qn2Qn0Q1n+1= Qn0Qn1 + Qn0Qn1Q2n+1= Qn1Qn2 + Qn1Qn2 nnnQKQJQ 1= Qn2= Qn0= Qn1写输出方程：写输出方程：Y = Qn2 Qn1 Qn0至此，我们写出至此，我们写出了三大方程，但了三大方程，但是，我们并不清是，我们并不清楚这个电路的作楚这个电路的作用！用！Y = Qn2 Qn1 Qn0状态方程：状态方程：Q0n+1= Qn2Q1n+1=

6、 Qn0Q2n+1= Qn1输出方程：输出方程：Moore型的同步时序逻辑电路型的同步时序逻辑电路计算，列写状态转换表：计算，列写状态转换表：Y = Qn2 Qn1 Qn0状态方程：状态方程：Q0n+1= Qn2Q1n+1= Qn0Q2n+1= Qn1输出方程：输出方程：nQ2nQ0nQ110 nQ12 nQ11 nQY0 0 010010 0 111010 1 111111 1 101111 1 000111 0 000000 1 010111 0 10101由状态表画出状态转换图：由状态表画出状态转换图：/0/1/1/1/1/1由状态图画时序图：由状态图画时序图：/1/1CPCP0 00

7、00 00 00 01 10 01 11 11 11 11 11 11 10 01 10 00 00 00 00 0Q Q0 0Q Q1 1Q Q2 2Y Y注意：注意：CP触发沿到来时相应的触发沿到来时相应的FF才会更新状态，否则保持原态。才会更新状态，否则保持原态。/Y注意：注意：不能漏掉任何可能出现的不能漏掉任何可能出现的初态和输入的取值。初态和输入的取值。（1 1）将输入变量和）将输入变量和FFFF初态的取值初态的取值分别代入分别代入状态方程状态方程和和输出方程输出方程进进行计算，求出每个行计算，求出每个FFFF的的次态次态和和输输出的状态出的状态；（2 2）以得到的次态作为新的初态以

8、得到的次态作为新的初态，和这时的输入变量取值一起重复和这时的输入变量取值一起重复该步骤。如此继续下去，将全部该步骤。如此继续下去，将全部的计算结果列成真值表的形式的计算结果列成真值表的形式状态表。状态表。以圆圈表示电路的状态；以圆圈表示电路的状态；用箭头表示状态转换的方向；用箭头表示状态转换的方向；箭头旁标注输入条件和输出结果箭头旁标注输入条件和输出结果计算，列写状态转换表：计算，列写状态转换表：由状态表画出状态转换图：由状态表画出状态转换图：由状态图画时序图：由状态图画时序图：/0/1/1/1/1/1/1/1功能说明功能说明:由状态图或时序图容易看出：由状态图或时序图容易看出：每经过每经过6

9、 6个个CPCP以后电路的状态循以后电路的状态循环变化一次，而环变化一次，而Y Y输出一个输出一个0 0，现实生活中是什么东西具有这现实生活中是什么东西具有这种规律呢？种规律呢？6 6进制计数器！进制计数器！Q2Q1Q0为计数状态，为计数状态，Y为进位。为进位。CPCP0 00 00 00 00 01 10 01 11 11 11 11 11 11 10 01 10 00 00 00 00 0Q Q0 0Q Q1 1Q Q2 2Y Y/0/1/1/1/1/1/1/1CPCP0 00 00 00 00 01 10 01 11 11 11 11 11 11 10 01 10 00 00 00 00

10、 0Q Q0 0Q Q1 1Q Q2 2Y Y有效状态：有效状态：被利用了的状态；被利用了的状态；有效循环：有效循环：有效状态形成的循环；有效状态形成的循环；有效循环有效循环无效状态：无效状态：没有用到的状态；没有用到的状态；无效循环：无效循环：无效状态形成的循环；无效状态形成的循环；能自启动：能自启动：电路存在无效状态，但没有电路存在无效状态，但没有形成无效循环，经过若干个形成无效循环，经过若干个CPCP后总能回到有效循环中；后总能回到有效循环中；不能自启动：不能自启动：无效状态形成了循环。无效状态形成了循环。无效循环无效循环一般时序图只画出有效状态及有效状态下的输出。一般时序图只画出有效状

11、态及有效状态下的输出。一个实际可用的时序逻一个实际可用的时序逻辑电路，应该具有辑电路，应该具有自启自启动动的能力。的能力。相关概念相关概念n01QMJn10QMJ1K01K1（2）写输出方程：本例写输出方程：本例 Q1、Q0外没有其他输出，无输出方程外没有其他输出，无输出方程解：电路分析：该电路为同步时序逻辑电路，时钟方程可以不写解：电路分析：该电路为同步时序逻辑电路，时钟方程可以不写（1）写出驱动方程：）写出驱动方程：1=1F1JC1KQQ=1F0JC1KQQ1Q1Q0MCP例例2 试分析下图所示时序逻辑电路试分析下图所示时序逻辑电路Mealy型的同步时序逻辑电路型的同步时序逻辑电路（3）求

12、状态方程（即各触发器的次态）求状态方程（即各触发器的次态）（4）状态转换表及状态图）状态转换表及状态图n1n0n11n111n1Q)Q(MQKQJQn10QMJn0n1n00n001n0Q)Q(MQKQJQn 1nn010QQ Q 1K0n 1nn010QQ Q 1K1n01QMJ或：M=0时M=1时n 1nn110QQ Q n 1nn110QQ Q n1Qn0Q1n0Q1n1Q 0 0 0 0 1M 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0Q1Q011M=0时M=1时00011010010011

13、nn1nQKQJQ结论：该电路是一个能自启动的可逆结论：该电路是一个能自启动的可逆3 3进制计数器进制计数器1100011010010011M=0时时M=1时（5）给定时序逻辑电路的逻辑功能）给定时序逻辑电路的逻辑功能无效状态无效状态自启动自启动自启动自启动有效循环有效循环有效循环有效循环M=0 3M=0 3进制加法计数器，能自启动进制加法计数器，能自启动M=1 3M=1 3进制减法计数器，能自启动进制减法计数器，能自启动例例3 3&1&1DC1=1=11DC1ACPQ1Q1Q2Q2YFF1FF2Mealy型的同步时序逻辑电路型的同步时序逻辑电路输入输入输出输出驱动方程：驱动方

14、程：nQD11 nnQQAD212 状态方程：状态方程：DQn 1代入代入D D触发器的特性方程：触发器的特性方程：111DQn 212DQn nnQQA21 nQ1 输出方程：输出方程：nnnnQQAQQAY2121 nnnnQQAQQA2121 状态方程：状态方程：nnQQ111 nnnQQAQ2112 nnnnQQAQQAY2121 输出方程：输出方程：YAnQ2nQ112 nQ11 nQ驱动方程：驱动方程：nQD11 nnQQAD212 DQn 1代入代入D D触发器的特性方程：触发器的特性方程：状态方程：状态方程：nnQQ111 nnnQQAQ2112 nnnnQQAQQAY2121

15、 输出方程：输出方程：计算，列写状态转换表：计算，列写状态转换表：000010010100111011000001100111111101100110100000由状态表画出状态图：由状态表画出状态图：计算，列写状态转换表：计算，列写状态转换表：由状态表画出状态图：由状态表画出状态图：A=0A=1/0/1/1/0/0/0/0/00/00/00/00/11/01/11/01/0A/Y功能说明功能说明:是一个四进制的可控计数器：是一个四进制的可控计数器：A=0A=0时，为加法计数器；时，为加法计数器；A=1A=1时，为减法计数器；时，为减法计数器；YAnQ2nQ112 nQ11 nQ0000100

16、10100111011000001100111111101100110100000注意：注意：（1 1）电路的状态是）电路的状态是各个触发器各个触发器的组合；的组合；（2 2）不能漏掉任何可能的）不能漏掉任何可能的输入和现态的取值组合输入和现态的取值组合；画状态转换图：画状态转换图：（1 1）状态转换是）状态转换是现态到次态现态到次态；（2 2）输出是现态的函数输出是现态的函数，不是次态的函数；，不是次态的函数；（3 3）只有当）只有当CP边沿到来时，相应触发器才会更新状态。边沿到来时，相应触发器才会更新状态。 CP1 1= =Q0 0例例1：试分析如图所示的时序逻辑电路试分析如图所示的时序逻

17、辑电路解：该电路为异步时序逻辑电路解：该电路为异步时序逻辑电路（1 1）时钟方程）时钟方程CP0 0=CP=CP2 2= =CP 异步时序逻辑电路的分析方法异步时序逻辑电路的分析方法 n20QJ 1KJ111K01K2n0n12QQJ （2 2）驱动方程）驱动方程F2JC1KQQF0JC1KQQQ2Q0CPJC1KQQF1Q1111（3 3）状态方程）状态方程n20QJ 1KJ111K01K2n0n12QQJ n0n21n0QQQn0n1n2n2QQQQ n11n1QQ(4)(4)状态转换表、状态转换图状态转换表、状态转换图CPCP2CP1CP0n0n1n2QQQ1n01n11n2QQQ1 0

18、 0 0 0 0 1 （CP0）（CP2）（CP1）0000011 0 0 1 0 1 0 0101 0 1 0 0 1 1 0111 0 1 1 1 0 0 1001 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 111110101无效状态无效状态有效循环有效循环无效状态无效状态nn1nQKQJQ（6 6）结论：）结论： 能自启动的异步五进制加法计数器能自启动的异步五进制加法计数器（5 5）时序图（设初态为）时序图（设初态为000000）QQQC P000001010011100000012123451DC1Q0Q0FF01DC1Q1Q1FF

19、11DC1Q2Q2FF2CP&课下练习课下练习小结小结要求掌握时序逻辑电路的分要求掌握时序逻辑电路的分析方法，重点是析方法，重点是同步时序逻同步时序逻辑电路的分析辑电路的分析。重要概念：重要概念：三大方程：三大方程：激励方程激励方程状态方程状态方程输出方程输出方程状态转换表：（关键）状态转换表：（关键）状态转换图：状态转换图：写激励方程写激励方程求状态方程求状态方程写输出方程写输出方程 列状态表列状态表 画状态图画状态图 画时序图画时序图 说明电路功能说明电路功能写时钟方程写时钟方程同步可以忽略同步可以忽略有效状态和有效循环：有效状态和有效循环：无效状态和无效循环：无效状态和无效循环：

20、能自启动和不能自启动：能自启动和不能自启动：寄存器寄存器 (Register)寄寄 存存：把二进制数据或代码暂时存储把二进制数据或代码暂时存储功能特点功能特点：暂存数据或代码，一般不对存储内容进行处理暂存数据或代码，一般不对存储内容进行处理分类分类：基本寄存器（数码寄存器）基本寄存器（数码寄存器）移位寄存器移位寄存器通常由通常由D触发器构成触发器构成1、概念和特点、概念和特点结构特点结构特点：并行方式并行方式: :串行方式串行方式:输入输输入输出方式出方式每一位数据对应一个输入端（输出端）每一位数据对应一个输入端（输出端）,在在CP作用下，各位作用下，各位同时同时输入（输出）输入（输出）只有一

21、个输入端（输出端）只有一个输入端（输出端）,CP作用下，各数码作用下，各数码逐位逐位输入（输出）输入（输出）并行并行输入输入并行并行输出输出FF0 FF1 FFn1D0 D1 Dn1 Q0 Q1 Qn1 串行串行输入输入串行串行输出输出2、基本寄存器、基本寄存器（数码寄存器，简称寄存器）（数码寄存器，简称寄存器）用来寄存一组二进制数据或代码；用来寄存一组二进制数据或代码；只能并行送入寄存器，也只能并行输出。只能并行送入寄存器，也只能并行输出。由于一个触发器可以存储由于一个触发器可以存储“1”位二进制信号，因此位二进制信号，因此 n位位寄存器需要用寄存器需要用n个触发器构成。个触发器构成。寄存器

22、可以存储多位二进制信息，如寄存器可以存储多位二进制信息，如4位、位、8位、位、16位等，我们称之为位等，我们称之为n位寄存器，位寄存器，n为寄存器的长度。为寄存器的长度。8 8位寄存器位寄存器0 1 1 0 1 0 1 10 1 1 0 1 0 1 11 1 0 1 1 0 1 1并行输入并行输入并行输出并行输出0 1 1 0 1 0 1 10 1 1 0 1 0 1 10 1 1 0 1 0 1 11 1 0 1 1 0 1 11 1 0 1 1 0 1 1D0D3是并行数据输入端是并行数据输入端 Q0Q3是并行数据输出端是并行数据输出端0111RD清零清零10CP时钟时钟 d0 d1 d2

23、 d3 D0 D1 D2 D3输输 入入0 0 0 0d0 d1 d2 d3保保 持持保保 持持Q0 Q1 Q2 Q3输输 出出工作模式工作模式异步清零异步清零数码寄存数码寄存数据保持数据保持数据保持数据保持7474LS175175的功能表的功能表RD是异步清零控制端是异步清零控制端QD03VccQ15374LS175D2D6Q3CP2GND74QQD3205116211411Q110129QRQD101383、集成寄存器74LS175二、移位寄存器二、移位寄存器寄存器寄存器左移左移(a)寄存器寄存器右移右移(b)寄存器寄存器双向双向移位移位(c)移位的概念移位的概念：将寄存器所存储的各位数据

24、，在每个移位将寄存器所存储的各位数据，在每个移位脉冲的作用下，脉冲的作用下，向左或向右移动一位。向左或向右移动一位。根据移位的方向，分成：根据移位的方向，分成：左移左移、右移右移和和双向双向移位寄存器。移位寄存器。FFFFFFFF（1）串入串出）串入串出输入输入输出输出（2）串入并出）串入并出一个输入，一个输出一个输入，一个输出串行数据串行数据并行数据并行数据FFFFFFFF输入输入输出输出（3）并入串出）并入串出FFFFFFFF输输 入入输出输出（4）并入并出）并入并出FFFFFFFF输输 入入输输 出出并行数据并行数据串行数据串行数据移位寄存器有四种输入输出方式：移位寄存器有四种输入输出方

25、式：常用于数据锁存。常用于数据锁存。数据的串数据的串-并转换是实现计并转换是实现计算机串行通信的重要操作。算机串行通信的重要操作。由由D D触发器构成的移位寄存器触发器构成的移位寄存器1234ABCD4321DCBA210QQQDRCP210QQDC 1FD 2QQDC 1FD 2QQDC 1FD 2DR是数据输入端，它在是数据输入端，它在CP脉冲（移位脉冲）的作用脉冲（移位脉冲）的作用下，输入数据逐个地输入寄存器下，输入数据逐个地输入寄存器状态方程为：状态方程为： R1n0DQn01n1QQn11n2QQ1. 单向串行移位寄存器单向串行移位寄存器1234ABCD4321DCBADRCP120

26、QQQ123456R1n0DQn01n1QQn11n2QQ1 0 1 0 0 01 0 1 0 0 01 0 1 0 0 1 0 1 0 上升沿有效DR端称为串行输入端，端称为串行输入端，Q2端称为串行输出端端称为串行输出端移位过程：移位过程： 移位脉冲串行输入并行输出串行输出移位过程，即移位过程，即Q0、Q1、Q2的波形相同，依次滞后一个的波形相同，依次滞后一个CP的周期的周期在在CP上升沿时，上升沿时，DR端数据依次移入寄存器、数据依次右移端数据依次移入寄存器、数据依次右移工作于串入串出方式的移位寄存器也称工作于串入串出方式的移位寄存器也称为为“延迟线延迟线”。用于将电信号延迟一段时间的元件或器件用于将电信号延迟一段时间的元件或器件称为称为延迟线延迟线 ，广泛应用于电子计算机、，广泛应用于电子计算机、通信系统及测量仪器中。通信系统及测量仪器中。练习练习1 1、8 8位移位寄存器，串行输入时经位移位寄存器，串行输入时经_个个CPCP脉冲后，脉冲后，8 8位数码全部移入寄存器中；若该寄存器中已存满位数码全部移入寄