复旦微电子数字电路第章异步时序电路ppt课件

1、数字逻辑根底数字逻辑根底第五章第五章 异步时序电路异步时序电路异步时序电路的分类异步时序电路的分类n根本型异步时序电路根本型异步时序电路n 依托电路反响记忆形状，输入信号为电平依托电路反响记忆形状，输入信号为电平型信号。型信号。n脉冲性异步时序电路脉冲性异步时序电路n 依托触发器记忆形状，输入为脉冲信号依托触发器记忆形状，输入为脉冲信号时钟信号，但是没有一致的时钟，并时钟信号，但是没有一致的时钟，并且将时钟作为显式的输入对待。且将时钟作为显式的输入对待。5.1 根本型异步时序电路分析根本型异步时序电路分析n根本型异步时序电路的模型根本型异步时序电路的模型组合电路组合电路延时延时x1xmz1zn

2、Y1Yry1yr延时延时输入变量系统形状鼓励形状输出变量系统总态x1,.xm,y1,.yr根本型异步时序逻辑模型的描画根本型异步时序逻辑模型的描画n根本型异步时序电路的稳定条件是根本型异步时序电路的稳定条件是y = Y。换句话。换句话说，在系统到达稳定以后，说，在系统到达稳定以后，Y和和y总是一样的。总是一样的。n正由于如此，在根本型异步时序电路中不能将正由于如此，在根本型异步时序电路中不能将y和和Y分别看作现态和次态。分别看作现态和次态。 )()(),(),(21tttffYyyxzyxY根本型异步时序电路分析的例子根本型异步时序电路分析的例子&X1X2RESY1Y2y1y21&1鼓励形状鼓

3、励形状系统形状系统形状假想的延时环节假想的延时环节系系统统总总态态21221211yyxYyyxY1RES y1y2Y1 Y2x1x2=00 x1x2=01 x1x2=10 x1x2=110000011011010101010110101010101111111111时的鼓励函数和形状流程表时的鼓励函数和形状流程表稳定形状稳定形状Y与与y一样一样非稳定形状非稳定形状Y与与y不同不同形状转换过程形状转换过程0000dd01dd10011000dddd形状转换图形状转换图功能：类似抢答器功能：类似抢答器初始总态初始总态根本型异步时序电路形状转换的特点根本型异步时序电路形状转换的特点n假定一切输入中

4、每次只需一个输入发生改假定一切输入中每次只需一个输入发生改动，所以没有类似动，所以没有类似0011的形状转换。的形状转换。n输入改动以后，到达的总态假设是不稳定输入改动以后，到达的总态假设是不稳定总态，那么形状转换过程将继续进展，直总态，那么形状转换过程将继续进展，直到到达稳定总态。到到达稳定总态。根本型异步时序电路分析的普经过程根本型异步时序电路分析的普经过程鼓励方程鼓励方程输出方程输出方程形状流程表形状流程表标出稳定形状标出稳定形状形状转换图形状转换图或时序图或时序图电路功能电路功能描画描画正确区分各变正确区分各变量之间的关系量之间的关系作形状转换图要包作形状转换图要包含一切稳定形状和含一

5、切稳定形状和一切转换途径一切转换途径作时序图时要思索作时序图时要思索实践的输入情况实践的输入情况结合实践的输结合实践的输入情况讨论电入情况讨论电路的功能路的功能另一个例子的分析另一个例子的分析n电路电路&X1X2Y1Y2y1y21&1z&鼓励鼓励形状形状输入输入输出输出n鼓励函数和形状流程表鼓励函数和形状流程表22112112122211yxyxYyxyyxyxxYx1x2y1y2000111101011010000000001011000111110111101000000初始形状初始形状共有共有8个稳定形状个稳定形状n形状转换图形状转换图00001100111101101011110101

6、01100001001100011010111001101100010011包含一切稳定形状和一切转换途径包含一切稳定形状和一切转换途径n在特定输入条件下的时序图在特定输入条件下的时序图x1x2Y2Y1y1y2zt1t2t3t0t8t7t6t5t4t11t10t9t1211yxz 在输入在输入x1x2 = 00,01,11,10,00,01,11,01,11,10,00,10,00序列下，序列下，x1x2y1y2 = 0000,0110,1111,1011,0000,0110,1111,0101,1101,1000,0000,1000,0000n功能描画功能描画n假设在输入假设在输入x2为逻辑

7、为逻辑1期间，输入期间，输入x1发生发生0到到1的变化上升沿，那么在随后的的变化上升沿，那么在随后的x1第一个逻辑第一个逻辑1期间输出等于逻辑期间输出等于逻辑0，其他时，其他时间均输出逻辑间均输出逻辑1。n假设输入假设输入x2为逻辑为逻辑0，那么无论输入，那么无论输入x1如何如何变化，输出总是逻辑变化，输出总是逻辑1。 5.2 根本型异步时序电路中的竞根本型异步时序电路中的竞争与冒险争与冒险n竞争的例子竞争的例子&X1X2Y1Y2y1y21&1&1&11122212111211yxyxYxxyyxyxxY发生竞争的总态转换过程发生竞争的总态转换过程n输入序列：输入序列：n0010110111n

8、总态转换：总态转换：n0000101111110110？x x1 1x x2 2y y1 1y y2 2000001011111101010101111010100000000000001010000101010101111111100000101010101011111010110101010?临界竞争与非临界竞争临界竞争与非临界竞争n根本型异步时序电路在某个输入作用下，根本型异步时序电路在某个输入作用下，从一个稳定形状转换到另一个稳定形状时，从一个稳定形状转换到另一个稳定形状时，假设有多于一个的形状变量需求同时发生假设有多于一个的形状变量需求同时发生变化，那么称电路存在竞争。变化，那么称电

9、路存在竞争。n假设电路最终到达的稳定形状依赖于形状假设电路最终到达的稳定形状依赖于形状变量变化的次序，那么称为临界竞争；变量变化的次序，那么称为临界竞争；n假设最终到达的稳定形状一样，那么称为假设最终到达的稳定形状一样，那么称为非临界竞争。非临界竞争。 临界竞争的判别临界竞争的判别n在形状转换表中选择一个稳定总态，然后在形状转换表中选择一个稳定总态，然后从这个稳定形状向某个相邻列转移。从这个稳定形状向某个相邻列转移。n调查在该列内的形状转换过程。假设此转调查在该列内的形状转换过程。假设此转换过程中一切的转换途径都可以到达同一换过程中一切的转换途径都可以到达同一个稳定形状，那么此转换过程不发生临

10、界个稳定形状，那么此转换过程不发生临界竞争。竞争。n改动输入变量以及改动初始稳定总态，反改动输入变量以及改动初始稳定总态，反复上两步的判别。直至遍历从一切的稳定复上两步的判别。直至遍历从一切的稳定总态出发的每种能够的转换途径。总态出发的每种能够的转换途径。临界竞争的例子临界竞争的例子1x1x2y1y2000111101011010011110110010111111011001100000000不同的转换次不同的转换次序导致不同的序导致不同的结果：临界竞结果：临界竞争争不同的转换次不同的转换次序，一样的结序，一样的结果：非临界竞果：非临界竞争争临界竞争的例子临界竞争的例子2x1x2y1y200

11、011110101101000011110011010011形状循环，无法形状循环，无法到达最终稳定形到达最终稳定形状。这是一种特状。这是一种特殊的临界竞争殊的临界竞争临界竞争的消除临界竞争的消除n在电路中插入可控延迟元件在电路中插入可控延迟元件 n修正形状流程表中的非稳定形状，使得循修正形状流程表中的非稳定形状，使得循环的结果到达目的形状环的结果到达目的形状 n采用相邻的形状分配来消除临界竞争采用相邻的形状分配来消除临界竞争 n添加形状变量添加形状变量 修正形状流程表修正形状流程表x1x2y1y200011110101101000111110011x1x2y1y200011110101101

12、000111100011有临界竞争有临界竞争无临界竞争无临界竞争修正原那么：不改动最终结果修正原那么：不改动最终结果在原问题中，在原问题中， 11是对应于是对应于10的次形状，最的次形状，最终结果要求转换到终结果要求转换到11。相邻的形状分配相邻的形状分配n相邻形状：n相邻形状分配：n 使每个稳定态与它的鼓励态相邻，可以防止临界竞争。00011110000011010110111100101001n相邻形状分配的例子相邻形状分配的例子x1x2s0000010111111010DCBAAAABBBBBBCCDDDDDABDC00111001x1x2s00000101111110100111100

13、000000010101010101011110101010101当系统在形状当系统在形状A发生输入改动发生输入改动0001时，时，鼓励态为鼓励态为B，为了不发生临界竞争，要求，为了不发生临界竞争，要求A与与B相邻。相邻。原始问题原始问题要求的相邻要求的相邻关系关系相邻编码后的相邻编码后的形状流程表形状流程表添加形状变量添加形状变量n原始问题x1x2s00011110DCBAAAADABBCBCCDDDBCABDC原始问题的相邻关系复杂，无法采用相邻原始问题的相邻关系复杂，无法采用相邻编码到达无临界竞争编码到达无临界竞争n添加形状变量后，做到相邻编码x1x2= 00= 01= 11= 10DC

14、BAGFE000001100A101110011010y1y2y3AAABBBBECCDDDDCCFFG000000000000001001001001010010010010100100100100011110110101x1x2x1x2x1x2Y1Y2Y3ABDCGFE000101110011010100001添加了添加了3个中间形状，使得一个中间形状，使得一切形状转换都是相邻的切形状转换都是相邻的5.3 根本型异步时序电路设计根本型异步时序电路设计 限制与要求限制与要求每次只允许一个输入变量发生改动每次只允许一个输入变量发生改动每次输入发生改动后，必需等待电路稳定后每次输入发生改动后，必

15、需等待电路稳定后方可允许下一个输入发生变化方可允许下一个输入发生变化无冒险无冒险无临界竞争无临界竞争 根本型异步时序电路设计的普经过程根本型异步时序电路设计的普经过程原始原始问题问题形状转形状转换图换图形状流形状流程表程表化化简简形形状状分分配配鼓励鼓励函数函数输出输出函数函数逻逻辑辑图图留意形状转换的相邻留意形状转换的相邻性，使得形状转换不性，使得形状转换不发生临界竞争。发生临界竞争。不能存在不能存在冒险冒险自然言语描画，自然言语描画，也可以用波形图也可以用波形图或其他方式描画或其他方式描画例例: 试用逻辑门电路实现一个下降沿触发的试用逻辑门电路实现一个下降沿触发的T触发器。触发器。这里的这

16、里的T触发器与触发器一章中讨论的触发器与触发器一章中讨论的T触发器略有不触发器略有不同，它只需一个输入端同，它只需一个输入端T，在，在T端发生负跳变就引起触发端发生负跳变就引起触发器翻转。我们可以画出该触发器的输入输出波形如下：器翻转。我们可以画出该触发器的输入输出波形如下：xzt1t2t3t0t4t10t9t8t7t5t6时辰时辰t0 t1t0 t1或或t4 t5t4 t5为形状为形状A A，t1 t2t1 t2为形状为形状B B，t2 t3t2 t3为形状为形状C C，t3 t4t3 t4为形状为形状D D，一共，一共4 4个形状。由此个形状。由此得到的形状转换图和形状流程表如下：得到的形

17、状转换图和形状流程表如下： X = 0DCBA状态A/0激励态/输出CDBA1/00/10/01/11/00/11/10/0D/1D/1B/0B/0A/0C/1C/1X = 1 T触发器的形状转换表触发器的形状转换表形状形状鼓励态鼓励态/ /输出输出X=0X=10000/001/00111/101/01111/110/11000/010/1激励态Y101111000 xy1y2001011011000011011xy1y20010110110激励态Y2输出z12112221121YzyyyxyxYyyxyyxY&xY1Y2y1y2z&11例例设计一个异步时序电路，它有两个输入端设计一个异步时序

18、电路，它有两个输入端x1x2，一个输出端，一个输出端z。当输入。当输入x1x2 = 00时，时，输出输出z = 0。假设在。假设在x1由由0变变1时时x2曾经是逻曾经是逻辑辑1，即，即x2在在x1之前变为之前变为1，那么输出，那么输出z = x1x2。假设。假设x1在在x2之前变为之前变为1那么输出那么输出z = 0。 x2zt1t2t3t0t4t9t8t7t5t6x1GFEADCBAA形状转换图与形状流程表形状转换图与形状流程表X = 00DCBA状态状态激励态激励态C/1D/0B/0A/0011101001000X = 01输出输出X = 11X = 10GFEDCBAGFEG/0F/0E

19、/0000010001101101111BBAAAACFCFEG0000001DE- - - - - - - -由于不允许同时改动由于不允许同时改动两个输入变量，这些两个输入变量，这些形状不能够经过形状不能够经过化简化简DCBAEFDCBGEFD,EB,GB,GC,FC,FB,GC,FB,GD,EC,FC,FC,FADCBGEFS0S2S1满足最小化、覆盖化和闭合性三个条件，从上述满足最小化、覆盖化和闭合性三个条件，从上述3个个最大相容类中选择最大相容类中选择3个子集个子集A,B,G、C 和和 D,E,F来来作为化简后的形状作为化简后的形状,记为记为S0、S1和和S2 化简以后的形状流程表化简

20、以后的形状流程表 状态状态激励态激励态输出输出x1x2=00 x1x2=01 x1x2=11 x1x2=10S0S0S0S1S20S1S0S1S21S2S0S0S2S20形状分配形状分配 S1S0S201S3001011原来的原来的相邻关系相邻关系修改后的修改后的相邻关系相邻关系状态状态y1y2激励态激励态Y1Y2输出输出zx1x2=00 x1x2=01x1x2=11x1x2=10S0 00000001100S1 010001111S3 11101S2 10000010100为了使形状相为了使形状相邻，添加过渡邻，添加过渡形状形状鼓励方程、输出方程和逻辑图鼓励方程、输出方程和逻辑图221112

21、1221111yzyyxyxxYxxyxY&x1Y1Y2y1y2z&11x25.4 脉冲型异步时序电路的分析脉冲型异步时序电路的分析和设计和设计n脉冲型异步时序电路与同步时序电路的一样点脉冲型异步时序电路与同步时序电路的一样点n都以触发器作为记忆单元都以触发器作为记忆单元n都具有米利与摩尔两种模型，构造类似都具有米利与摩尔两种模型，构造类似n脉冲型异步时序电路脉冲型异步时序电路n触发器具有不同的时钟触发器具有不同的时钟n时钟信号作为输入处置时钟信号作为输入处置n同步时序电路同步时序电路n全部触发器具有一致的时钟全部触发器具有一致的时钟n时钟信号是默许的，不作为输入处置时钟信号是默许的，不作为输

22、入处置脉冲型异步时序电路分析的例子脉冲型异步时序电路分析的例子n鼓励方程与输出方程鼓励方程与输出方程n触发器的输入方程触发器的输入方程xQ2Q11D&zC11DC1&D1D2CP1CP2212221,QxQzQDQDcp1 = x，cp2 = xQ1 脉冲型异步时序电路脉冲型异步时序电路的特点的特点n形状方程形状方程12122222222) 1(211121111) 1( 1,xQcpxcpcpQcpQcpQcpDQcpQcpQcpQcpDQnn在脉冲型异步时序电路中触发器的在脉冲型异步时序电路中触发器的cp表达式中，表达式中，只需当表达式右端的逻辑函数产生对该触发器有只需当表达式右端的逻辑函

23、数产生对该触发器有效的触发时，表达式左边的效的触发时，表达式左边的cp = 1。 n形状转换表形状转换表 Q2Q1cp2cp1Q2(n+1)Q1(n+1) I=0I=1I=0I=10000010001010011011111001111001000011010I = 1 ：输入：输入 x 的下降沿的下降沿I = 0 ：除了输入：除了输入 x 下降沿以外的一切时辰下降沿以外的一切时辰 n形状转换图和时序图形状转换图和时序图111001000 / 01 / 01 / 10 / 00 / 00 / 01 / 01 / 0I / zxQ2Q1D1zCP2CP1I =1脉冲型异步时序电路的设计脉冲型异步

24、时序电路的设计 原始原始问题问题分析分析形状转形状转换图换图形状转形状转换表换表化化简简形形状状分分配配鼓励函数鼓励函数逻逻辑辑图图能够包含触发器的能够包含触发器的时钟信号的选择时钟信号的选择自然言语描画，自然言语描画，也可以用波形图也可以用波形图或其他方式描画或其他方式描画输出函数输出函数设计例设计例1n试用试用T触发器设计满足以下功能的脉冲型异步时触发器设计满足以下功能的脉冲型异步时序电路。电路的功能描画是：只需当输入脉冲序序电路。电路的功能描画是：只需当输入脉冲序列为列为x1x1x2的情况下，在输入的情况下，在输入x2的同时输出的同时输出z；其他情况下都没有输出。其他情况下都没有输出。

25、nT触发器是指只需一个触发器是指只需一个T输入端的触发器。该触发输入端的触发器。该触发器的形状方程如下：器的形状方程如下： tQtQQn1n问题分析问题分析n米利模型米利模型n定义系统形状：定义系统形状：n形状形状A：原始形状；：原始形状；n形状形状B：曾经输入序列为：曾经输入序列为x1；n形状形状C：曾经输入序列为：曾经输入序列为x1x1，在，在此形状下输入此形状下输入x2可以产生输出。可以产生输出。n形状转换图形状转换图ACBx1 / 0 x / zx1 / 0 x2 / 1x1 / 0 x2 / 0 x2 / 0留意：由于异步时序电路限制每次只需一个输留意：由于异步时序电路限制每次只需一

26、个输入变量变化，所以从某形状出发的形状转换线入变量变化，所以从某形状出发的形状转换线的数目与输入变量的数目相等的数目与输入变量的数目相等对比：同步时序电路普通是输入变量的组合对比：同步时序电路普通是输入变量的组合n形状编码和形状转换表形状编码和形状转换表现态现态次态次态 / 输出输出y1y2Y1Y2 / zx1x2x1x2AB/0A/00001/000/0BC/0A/00110/000/0CC/0A/11010/000/1留意：一切输入没有组合形状！留意：一切输入没有组合形状！n鼓励卡诺图和输出卡诺图鼓励卡诺图和输出卡诺图 y1y2Y1Y2 / zx1x20001/000/00110/000/

27、01010/000/1QQn+1t000011110101x1y1y210110100 x210110100011010001001ddddt1t210110100100000ddzy1y2y1y2x1x2x1x2形状转形状转换表换表T触发器触发器的鼓励表的鼓励表鼓励卡诺图鼓励卡诺图输出卡诺图输出卡诺图留意：一切输入没有组合形状，卡诺圈不能将不同的输入圈在一同！留意：一切输入没有组合形状，卡诺圈不能将不同的输入圈在一同！n鼓励函数、输出函数和逻辑图鼓励函数、输出函数和逻辑图 122211212211yxzyxyxtyxyxtx1y1T&z&x2y111y2T&11T1T2设计例设计例2：异步计

28、数器：异步计数器n试用试用JK触发器设计一个触发器设计一个12进制异步加法计进制异步加法计数器数器 n问题分析问题分析xy1y0y3y20011109876543211计数器类问题具有固定的时序，所以用时序图分析比较容易计数器类问题具有固定的时序，所以用时序图分析比较容易n形状转换表形状转换表状态状态y3y2y1y0Y3Y2Y1Y0S000000001S100010010S200100011S300110100S401000101S501010110S601100111S701111000S810001001S910011010S1010101011S1110110000n电路构造电路构造x1JC1y01K1JC1y11K1JC1y21K1JC1y31K输出变量输出变量输入变量输入变量问题：每个触发器的时钟、鼓励如何获得？问题：每个触发器的时钟、鼓励如何获