第5章时序逻辑电路

1、第第5 5章章 时序逻辑电路时序逻辑电路概述概述5.15.1 时序电路的基本分析和设计方法时序电路的基本分析和设计方法5.25.2 计数器计数器5.35.3 寄存器和读寄存器和读/ /写存储器写存储器5.45.4 顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器5.55.5 可编程时序逻辑电路可编程时序逻辑电路本章小结本章小结概述概述一、时序逻辑电路的特点一、时序逻辑电路的特点: : 时序逻辑电路简称时序电路，它的结构示意框图时序逻辑电路简称时序电路，它的结构示意框图如如图图5.0.15.0.1所示。所示。1.1.逻辑功能特点逻辑功能特点: :在数字电路中，凡是任何时刻电路的在数字电路中，凡是任何时刻电路的稳态输

2、出，不仅和该时刻的输入信号有关，而且还取稳态输出，不仅和该时刻的输入信号有关，而且还取决于电路原来状态者，都叫做时序逻辑电路。决于电路原来状态者，都叫做时序逻辑电路。2.2.电路组成特点电路组成特点: :时序逻辑电路的状态是由存储电路来时序逻辑电路的状态是由存储电路来记忆和表示的，所以从电路组成看，时序电路一定包记忆和表示的，所以从电路组成看，时序电路一定包含有作为存储单元的触发器。时序电路的状态，就是含有作为存储单元的触发器。时序电路的状态，就是依靠触发器记忆和表示的，时序电路中可以没有组合依靠触发器记忆和表示的，时序电路中可以没有组合电路，但不能没有触发器。电路，但不能没有触发器。二、时序

3、电路逻辑功能表示方法二、时序电路逻辑功能表示方法1.1.逻辑表达式逻辑表达式2.2.状态表、卡诺图、状态图和时序图状态表、卡诺图、状态图和时序图三、时序逻辑电路分类三、时序逻辑电路分类1.1.按逻辑功能划分有：计数器、寄存器、移位寄存器、按逻辑功能划分有：计数器、寄存器、移位寄存器、读读/ /写存储器、顺序脉冲发生器等。写存储器、顺序脉冲发生器等。2.2.按电路中触发器状态变化是否同步可分为：同步时按电路中触发器状态变化是否同步可分为：同步时序电路和异步时序电路。序电路和异步时序电路。 同步时序电路：电路状态改变时，电路中要更新状同步时序电路：电路状态改变时，电路中要更新状态的触发器是同步翻转

4、的。态的触发器是同步翻转的。 异步时序电路：电路状态改变时，电路中要更新状异步时序电路：电路状态改变时，电路中要更新状态的触发器有的先翻转，有的后翻转，态的触发器有的先翻转，有的后翻转，是异步进行的。是异步进行的。3.3.按电路输出信号的特性可分为按电路输出信号的特性可分为MealyMealy型和型和MooreMoore型。型。 MealyMealy型时序电路型时序电路: :其输出不仅与现态有关，而且还其输出不仅与现态有关，而且还决定于电路的输入，决定于电路的输入，图图5.0.3(a)5.0.3(a)所示是其电路的一般所示是其电路的一般模型，其输出方程为：模型，其输出方程为：Y(tY(tn n

5、)=FX(t)=FX(tn n),Q(t),Q(tn n)。 MooreMoore型时序电路：其输出仅决定于电路的现态，即型时序电路：其输出仅决定于电路的现态，即Y(tY(tn n)=FQ(t)=FQ(tn n) ) ，电路模型如，电路模型如图图5.0.3(b)5.0.3(b)所示。此外，所示。此外，按能否编程有可编程和不能编程时序电路之分；按集按能否编程有可编程和不能编程时序电路之分；按集成度不同以有成度不同以有SSISSI、MSIMSI、LSILSI、VLSIVLSI之别；按使用的开之别；按使用的开关元件类型还有关元件类型还有TTLTTL和和CMOSCMOS等时序电路之分。等时序电路之分。

6、5.1 5.1 时序电路的基本分析和设计方法时序电路的基本分析和设计方法5.1.1 5.1.1 时序电路的基本分析方法时序电路的基本分析方法一、分析的一般步骤一、分析的一般步骤二、分析举例二、分析举例:例例5.1.15.1.1其仿真如其仿真如图图5.1.25.1.2所示。所示。 例例5.1.25.1.2其仿真如其仿真如图图5.1.55.1.5所示。所示。 例例5.1.35.1.3其仿真如其仿真如图图5.1.85.1.8所示。所示。5.1.2 5.1.2 时序电路的基本设计方法时序电路的基本设计方法一、设计的一般步骤一、设计的一般步骤二、设计举例二、设计举例:例例5.1.45.1.4其仿真如其仿

7、真如图图5.1.155.1.15所示。所示。 例例5.1.55.1.5其仿真如其仿真如图图5.1.205.1.20所示。所示。 例例5.1.65.1.6其仿真如其仿真如图图5.1.275.1.27所示。所示。 5.2 5.2 计数器计数器5.2.1 5.2.1 计数器的特点和分类计数器的特点和分类一、计数器的特点一、计数器的特点1.1.计数的概念和计数器计数的概念和计数器（1 1）计数的概念）计数的概念 （2 2）计数器：广义地讲，一切能够完成计数工作）计数器：广义地讲，一切能够完成计数工作的器物都是计数器，算盘是计数器，里程表是计的器物都是计数器，算盘是计数器，里程表是计数器，钟表是计数器，

8、温度计等都是计数器。数器，钟表是计数器，温度计等都是计数器。2.2.数字电路中的计数器数字电路中的计数器 把记忆输入把记忆输入CPCP脉冲个数的操作叫做计数，能实脉冲个数的操作叫做计数，能实现计数操作的电子电路称为计数器。它的主要特现计数操作的电子电路称为计数器。它的主要特点是：点是：（1 1）一般这种计数器除了输入计数脉冲）一般这种计数器除了输入计数脉冲CPCP信号之外，信号之外，很少有另外的输入信号，其输出通常也都是现态的函很少有另外的输入信号，其输出通常也都是现态的函数，是一种数，是一种MooreMoore型的时序电路，而输入计数脉冲型的时序电路，而输入计数脉冲CPCP是当作触发器的时钟

9、信号对待的。是当作触发器的时钟信号对待的。（2 2）从电路组成看，其主要组成单元是时钟触发器。）从电路组成看，其主要组成单元是时钟触发器。二、计数器的分类二、计数器的分类1.1.按数的进制分按数的进制分（1 1）二进制计数器）二进制计数器 （2 2）十进制计数器）十进制计数器（3 3）N N进制计数器：除了二进制和十进制计数器之外进制计数器：除了二进制和十进制计数器之外的其它进制计数器，都叫做的其它进制计数器，都叫做N N进制计数器。进制计数器。2.2.按计数时是递增还是递减分按计数时是递增还是递减分（1 1）加法计数器）加法计数器 （2 2）减法计数器）减法计数器（3 3）可逆计数器：在加减

10、信号的控制下，既可进行）可逆计数器：在加减信号的控制下，既可进行递增计数，也可进行递减计数的电路叫做可逆计数递增计数，也可进行递减计数的电路叫做可逆计数器。器。3.3.按计数器中触发器翻转是否同步分按计数器中触发器翻转是否同步分（1 1）同步计数器）同步计数器 （2 2）异步计数器）异步计数器4.4.按计数器中使用的开关元件分按计数器中使用的开关元件分（1 1）TTLTTL计数器计数器 （2 2）CMOSCMOS计数器计数器5.2.2 5.2.2 二进制计数器二进制计数器一、二进制同步计数器一、二进制同步计数器1.1.二进制同步加法计数器二进制同步加法计数器 逻辑电路图如仿真逻辑电路图如仿真图

11、图5.2.55.2.5所示。另一种连接所示。另一种连接的逻辑电路图如仿真的逻辑电路图如仿真图图5.2.65.2.6所示。用所示。用TT触发器构触发器构成的成的3 3位二进制同步加法计数器如仿真位二进制同步加法计数器如仿真图图5.2.75.2.7所示。所示。2.2.二进制同步减法计数器二进制同步减法计数器 逻辑电路图如仿真逻辑电路图如仿真图图5.2.125.2.12所示。采用并行借所示。采用并行借位方式的电路图如仿真位方式的电路图如仿真图图5.2.135.2.13所示。所示。 3.3.二进制同步可逆计数器二进制同步可逆计数器 3 3位二进制同步可逆计数器的逻辑电路图如仿位二进制同步可逆计数器的逻

12、辑电路图如仿真真图图5.2.145.2.14所示。所示。4.4.集成二进制同步计数器集成二进制同步计数器（1 1）集成）集成4 4位二进制同步加法计数器位二进制同步加法计数器 7416174161的引出端功能排列图、逻辑符号与逻辑功能的引出端功能排列图、逻辑符号与逻辑功能示意图如仿真示意图如仿真图图5.2.165.2.16所示。所示。 CC4520CC4520的引出端排列图和逻辑功能示意图如仿真的引出端排列图和逻辑功能示意图如仿真图图5.2.175.2.17所示。所示。（2 2）集成）集成4 4位二进制同步可逆计数器位二进制同步可逆计数器 7419174191的引出端排列图与逻辑功能示意图如仿

13、真的引出端排列图与逻辑功能示意图如仿真图图5.2.185.2.18所示。所示。 7419374193的引出端排列图和逻辑功能示意图如仿真的引出端排列图和逻辑功能示意图如仿真图图5.2.195.2.19所示。所示。二、二进制异步计数器二、二进制异步计数器1.1.二进制异步加法计数器二进制异步加法计数器 逻辑电路图如仿真逻辑电路图如仿真图图5.2.235.2.23所示。仿真所示。仿真图图5.2.245.2.24是由下降沿触发的是由下降沿触发的D D触发器构成的触发器构成的3 3位二进制位二进制异步加法计数器。仿真异步加法计数器。仿真图图5.2.275.2.27是由上升沿触发的是由上升沿触发的D D

14、触触发器构成的发器构成的3 3位二进制异步加法计数器。位二进制异步加法计数器。2.2.二进制异步减法计数器二进制异步减法计数器 逻辑电路图如仿真逻辑电路图如仿真图图5.2.305.2.30所示。所示。3.3.集成二进制异步计数器集成二进制异步计数器 7419774197、74LS19774LS197的引出端排列图与逻辑功能示意图的引出端排列图与逻辑功能示意图如仿真如仿真图图5.2.485.2.48所示。所示。 5.2.3 5.2.3 十进制计数器十进制计数器一、十进制同步计数器一、十进制同步计数器1.1.十进制同步加法计数器十进制同步加法计数器2.2.十进制同步减法计数器十进制同步减法计数器3

15、.3.十进制同步可逆计数器十进制同步可逆计数器4.4.集成十进制同步计数器集成十进制同步计数器* *二、十进制异步计数器二、十进制异步计数器1.1.十进制异步加法计数器十进制异步加法计数器2.2.十进制异步减法计数器十进制异步减法计数器3.3.集成十进制异步计数器集成十进制异步计数器5.2.4 N5.2.4 N进制计数器进制计数器一、用同步清零端或置数端归零获得一、用同步清零端或置数端归零获得N N进制计进制计数器的方法数器的方法1.1.主要步骤主要步骤2.2.应用举例：应用举例： 例例5.2.15.2.1其仿真如其仿真如图图5.2.505.2.50所示。所示。二、用异步清零端或置数端归零获得

16、二、用异步清零端或置数端归零获得N N进制计进制计数器的方法数器的方法1.1.主要步骤主要步骤2.2.应用举例：应用举例： 例例5.2.25.2.2其仿真如其仿真如图图5.2.525.2.52所示。所示。 例例5.2.35.2.3其仿真如其仿真如图图5.2.535.2.53所示。所示。三、计数器容量的扩展三、计数器容量的扩展1.1.把集成计数器级联起来扩展容量把集成计数器级联起来扩展容量 仿真仿真图图5.2.505.2.50是把三片是把三片7416174161级联起来构成级联起来构成的的40964096进制进制(12(12位二进制位二进制) )同步加法计数器。同步加法计数器。 仿真仿真图图5.

17、2.515.2.51是把二片是把二片7429074290级联起来构成级联起来构成的的100100进制进制2 2位十进制计数器。位十进制计数器。2.2.利用级联方法获得大容量的利用级联方法获得大容量的N N进制计数器进制计数器 仿真仿真图图5.2.535.2.53所示就是由六进制和十进制计所示就是由六进制和十进制计数器级联起来构成的数器级联起来构成的6 610=6010=60进制计数器。进制计数器。5.3 5.3 寄存器和读寄存器和读/ /写存储器写存储器5.3.1 5.3.1 寄存器的主要特点和分类寄存器的主要特点和分类一、寄存器的概念和主要特点一、寄存器的概念和主要特点1.1.寄存器的概念寄

18、存器的概念（1 1）寄存：把二进制数据或代码暂时存储起来的操）寄存：把二进制数据或代码暂时存储起来的操作叫做寄存。作叫做寄存。（2 2）寄存器：寄存功能的电路称为寄存器。）寄存器：寄存功能的电路称为寄存器。2.2.寄存器的主要特点寄存器的主要特点图图5.3.15.3.1所示是寄存器的结构示意框图。所示是寄存器的结构示意框图。（1 1）从电路组成看）从电路组成看 寄存器是由具有存储功能触发器组合构成的。寄存器是由具有存储功能触发器组合构成的。（2 2）从基本功能看）从基本功能看寄存器主要是暂时存储二进制数据或者代码。寄存器主要是暂时存储二进制数据或者代码。二、寄存器分类二、寄存器分类1.1.按功

19、能差别分：常把寄存器分成两大类。按功能差别分：常把寄存器分成两大类。（1 1）基本寄存器）基本寄存器（2 2）移位寄存器）移位寄存器2.2.按使用开关元件不同分按使用开关元件不同分（1 1）TTLTTL寄存器寄存器 表表5.3.15.3.1给出的是一些常用的给出的是一些常用的TTLTTL寄存器的型号。寄存器的型号。（2 2）CMOSCMOS寄存器寄存器 表表5.3.25.3.2给出的是几种常用的给出的是几种常用的CMOSCMOS寄存器的型号。寄存器的型号。5.3.2 5.3.2 基本寄存器基本寄存器一、一、4 4边沿边沿D D触发器触发器1.1.电路组成：仿真如电路组成：仿真如图图5.3.25

20、.3.2所示是所示是4 4边沿边沿D D触发器触发器7417574175、74LS17574LS175的逻辑电路图。的逻辑电路图。2.2.工作原理工作原理 3.3.主要特点主要特点二、双二、双4 4位锁存器位锁存器74116741161.1.引出端排列图和逻辑功能示意图引出端排列图和逻辑功能示意图: :仿真仿真图图5.3.35.3.32.2.逻辑功能逻辑功能 3.3.主要特点主要特点 三、三、4 44 4寄存器阵列寄存器阵列7417074170、74LS17074LS1701.1.引出端排列图和逻辑功能示意图引出端排列图和逻辑功能示意图: :仿真仿真图图5.3.45.3.42.2.逻辑功能逻辑

21、功能 3.3.主要特点主要特点 5.3.3 5.3.3 移位寄存器移位寄存器一、单向移位寄存器一、单向移位寄存器1.1.电路组成：仿真电路组成：仿真图图5.3.55.3.5所示是用边沿所示是用边沿D D触发器构触发器构成的单向移位寄存器。成的单向移位寄存器。 从电路结构看，它有两个基本特征：一是由相从电路结构看，它有两个基本特征：一是由相同存储单元组成，存储单元个数就是移位寄存器的同存储单元组成，存储单元个数就是移位寄存器的位数；二是各个存储单元共用一个进钟信号。位数；二是各个存储单元共用一个进钟信号。2.2.工作原理工作原理 3.3.主要特点主要特点 二、双向移位寄存器二、双向移位寄存器1.

22、1.电路组成：仿真电路组成：仿真图图5.3.55.3.5所示是基本的所示是基本的4 4位双向移位双向移位寄存器。位寄存器。2.2.工作原理工作原理三、集成移位寄存器三、集成移位寄存器1. 81. 8位单向移位寄存器位单向移位寄存器7416474164（1 1）引出端排列图和逻辑功能示意图）引出端排列图和逻辑功能示意图仿真仿真图图5.3.75.3.7所示是所示是8 8位单向移位寄存器位单向移位寄存器7416474164的引出端排列图和逻辑功能示意图。的引出端排列图和逻辑功能示意图。（2 2）逻辑功能）逻辑功能2. 42. 4位双向移位寄存器位双向移位寄存器74LS19474LS194（1 1）引

23、出端排列图和逻辑功能示意图）引出端排列图和逻辑功能示意图仿真仿真图图5.3.85.3.8所示是所示是4 4位双向移位寄存器位双向移位寄存器74LS19474LS194的的引出端排列图和逻辑功能示意图。引出端排列图和逻辑功能示意图。（2 2）逻辑功能）逻辑功能5.3.45.3.4、移位寄存器型计数器、移位寄存器型计数器一、环形计数器一、环形计数器1.1.电路组成：仿真电路组成：仿真图图5.3.115.3.11是一个是一个n=4n=4的环形计数器。的环形计数器。2.2.工作原理工作原理3.3.自启动问题：仿真自启动问题：仿真图图5.3.135.3.13是能够自启动的是能够自启动的4 4位环位环形计

24、数器。形计数器。4.4.基本特点基本特点二、扭环形计数器二、扭环形计数器: :仿真仿真图图5.3.155.3.15是一个是一个4 4位扭环位扭环形计数器的逻辑图及其状态图。形计数器的逻辑图及其状态图。 仿真仿真图图5.3.165.3.16是能自启动的是能自启动的4 4位扭环形计数器。位扭环形计数器。三、最大长度移位寄存器型计数器三、最大长度移位寄存器型计数器* *四、实现移位寄存器型计数器自启动的方法四、实现移位寄存器型计数器自启动的方法5.3.5 5.3.5 读读/ /写存储器写存储器一、一、RAMRAM的结构的结构1.1.地址译码器：地址译码器： RAMRAM中的寄存器很多，为区分起见，中

25、的寄存器很多，为区分起见，通常给每个寄存器都编上一个号，称为地址。通常给每个寄存器都编上一个号，称为地址。2.2.读读/ /写控制：访问写控制：访问RAMRAM时，对被选中的地址，究竟是时，对被选中的地址，究竟是读还是写，由读读还是写，由读/ /写控制线进行控制。写控制线进行控制。3.3.输入输入/ /输出：输出：RAMRAM通过输入通过输入/ /输出端与计算机中央处输出端与计算机中央处理器理器(CPU)(CPU)交换信息，读时它是输出端，写时它是输交换信息，读时它是输出端，写时它是输入端，即一线二用，由读入端，即一线二用，由读/ /写控制线控制。写控制线控制。4.4.片选控制：由于集成度的限

26、制，经常需要把许多片片选控制：由于集成度的限制，经常需要把许多片RAMRAM组装在一起，才能构成一台计算机的存储器。组装在一起，才能构成一台计算机的存储器。5.5.存储矩阵：存储矩阵：RAMRAM中的存储单元通常都被排列成矩阵中的存储单元通常都被排列成矩阵形式，称为存储矩阵。形式，称为存储矩阵。图图5.3.235.3.23所示是所示是102410241 1位位RAMRAM的存储矩阵和地址译码器。的存储矩阵和地址译码器。二、二、RAMRAM的存储单元的存储单元1.1.静态存储单元静态存储单元 六管六管NMOSNMOS存储单元存储单元: :电路如电路如图图5.3.245.3.24所示，由六只所示，

27、由六只NMOSNMOS管管(T(T1 1 T T6 6) )组成。组成。2.2.动态动态MOSMOS存储单元存储单元 单管动态存储单元电路如单管动态存储单元电路如图图5.3.255.3.25所示。所示。三、三、RAMRAM容量的扩展容量的扩展1.1.位扩展位扩展 如果每一片如果每一片RAMRAM中的字数已够用，而每个字的位数中的字数已够用，而每个字的位数不够用时，可采用位扩展连接方式解决。如不够用时，可采用位扩展连接方式解决。如图图5.3.265.3.26所示。所示。 2.2.字扩展字扩展 如果每一片的数据位已够用，但字数不够用时，如果每一片的数据位已够用，但字数不够用时，可采用字扩展连接方式

28、也称地址扩展方式解决。如可采用字扩展连接方式也称地址扩展方式解决。如图图5.3.275.3.27所示。所示。四、四、RAMRAM芯片举例芯片举例1.1.引出端排列图引出端排列图2.61162.6116工作方式和控制信号间的关系工作方式和控制信号间的关系5.4 5.4 顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器5.4.1 5.4.1 顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器1.1.电路组成电路组成 仿真仿真图图5.4.15.4.1所示是一个能循环输出所示是一个能循环输出4 4个脉冲的顺个脉冲的顺序脉冲发生器的逻辑电路图。序脉冲发生器的逻辑电路图。2.2.工作原理工作原理 仿真仿真图图5.4.35.4.3所示是用边沿所示是用边沿D D触发器和译码器构成触发器和译码器构成的的4 4输出顺序脉冲发生器的逻辑电路图。输出顺序脉冲发生器的逻辑电路图。5.4.2 5.4.2 移位型顺序脉冲发生器移位型顺序脉冲发生器( (一一) )由环形计数器构成的顺序脉冲发生器由环形计数器构成的顺序脉冲发生器1.1.电路组成：仿真电路组成：仿真图图5.4.45.4.4所示是由所示是由4 4位环形计数器构位环形计数器构成的成的4 4输出顺序脉冲发生器的逻辑电路图。输出