时序逻辑电路同步异步分析.

1、1第六章第六章 时序逻辑电路时序逻辑电路 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念 (6.1) 同步时序逻辑电路分析同步时序逻辑电路分析 (6.2) 异步时序逻辑电路分析异步时序逻辑电路分析 (6.4) 同步时序逻辑电路设计同步时序逻辑电路设计 (6.3) 典型的时序逻辑集成电路典型的时序逻辑集成电路 (6.5) 时序电路的时序电路的Verilog HDL描述描述(6.6) 时序可编程逻辑器件时序可编程逻辑器件 (6.7)2 6.1 6.1 时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路基本概念时序逻辑电路时序逻辑电路：任意时刻电路的输出不但取决于此时刻的任意时刻电路的输出不但取决于此时刻的 输入信号，而且

2、还与电路原来的状态有关。输入信号，而且还与电路原来的状态有关。n 时序电路模型与分类时序电路模型与分类n 时序电路逻辑功能的表达时序电路逻辑功能的表达 3时序逻辑电路的一般化模型时序逻辑电路的一般化模型 时序逻辑电路一般包括时序逻辑电路一般包括存储电路存储电路和和组合电路组合电路两部分，两部分， 其中存储电路必不可少其中存储电路必不可少; ; 存储电路由存储电路由触发器触发器或或锁存器锁存器组成，利用存储电路的状态组成，利用存储电路的状态 来记忆电路工作过程中的必要信息。来记忆电路工作过程中的必要信息。 时序电路又称为时序电路又称为状态机状态机, ,由有限数量存储单元构成的状态由有限数量存储单

3、元构成的状态 机称为机称为有限状态机有限状态机（FSM-Finite State Machine）。）。 组组合合电电路路 I O 存存储储电电路路 E S i j k m 4时序逻辑电路信号间的关系时序逻辑电路信号间的关系O =F1 ( I , S )输入、输出及存输入、输出及存储电路信号之间储电路信号之间的逻辑关系：的逻辑关系： 输出方程输出方程 状态方程状态方程 激励激励( (或驱动或驱动) )方程方程E =F2 ( I , S )S n +1=F3 (E , S n ) I （I1 , , Ii ) ： 外部输入信号外部输入信号 O（O1, , Oj ) ：电路输出信号电路输出信号E（

4、E1, , Ek) ： 存储电路的激励或驱动信号存储电路的激励或驱动信号S（S1, , Sm ) ： 存储电路的状态信号存储电路的状态信号 组组合合电电路路 I O 存存储储电电路路 E S i j k m 5v 根据存储电路的状态变化时刻，时序电路可分为根据存储电路的状态变化时刻，时序电路可分为: : 时序逻辑电路的分类时序逻辑电路的分类l 异步时序电路异步时序电路 其存储电路可由触发器或其存储电路可由触发器或锁存器锁存器组成，组成，触发器没有统一触发器没有统一 的时钟信号，或者电路中没有时钟脉冲，的时钟信号，或者电路中没有时钟脉冲，因而各存储单因而各存储单 元电路的状态更新不同时发生。元电

5、路的状态更新不同时发生。l 同步时序电路同步时序电路 其存储电路一般由触发器组成，其存储电路一般由触发器组成，所有触发器都由同一个所有触发器都由同一个 时钟信号控制时钟信号控制, ,故所有触发器的状态在同一时刻更新故所有触发器的状态在同一时刻更新, ,且且 与时钟信号的有效边沿同步。与时钟信号的有效边沿同步。在时序电路中在时序电路中, ,同步时序电路的应用较广泛。同步时序电路的应用较广泛。异步时序电路异步时序电路脉冲异步时序电路：由触发器构成脉冲异步时序电路：由触发器构成电平异步时序电路：由锁存器构成电平异步时序电路：由锁存器构成6时序逻辑电路的分类时序逻辑电路的分类 (续续)v 根据输出信号

6、是否与输入信号有关，时序电路可分为：根据输出信号是否与输入信号有关，时序电路可分为： l Mealy型型 l Moore型型 组组合合电电路路 I O 存存储储电电路路 E S i j k m 组组合合电电路路 CP或或CP 组组合合电电路路 I O 存存储储电电路路 E S i j k m CP或CP 组组合合电电路路 电路的输出信号不仅与存储电路的输出信号不仅与存储 电路状态有关，还与外部输电路状态有关，还与外部输入信号有关入信号有关, ,即：即： O =F ( I , S ) 电路的输出信号仅取决于电路的输出信号仅取决于 存储电路的状态，即：存储电路的状态，即： O =F ( S ) 7

7、时序电路逻辑功能的表达方式时序电路逻辑功能的表达方式逻辑方程组逻辑方程组 状态状态( (转换转换) )表表 状态状态( (转换转换) )图图 时序图时序图l 状态表状态表 以表格形式反映时序电路的次态和输出与输入及现态以表格形式反映时序电路的次态和输出与输入及现态 的所有取值组合的对应关系。的所有取值组合的对应关系。l 状态图状态图 以直观的图形方式反映时序电路状态的转换关系。以直观的图形方式反映时序电路状态的转换关系。l 时序图时序图 以波形图的形式以波形图的形式直观描述直观描述时序电路的时钟、输入与输出时序电路的时钟、输入与输出 和存储电路的状态在时间上的对应关系。和存储电路的状态在时间上

8、的对应关系。各种形式之间是可以相互转换的！各种形式之间是可以相互转换的！86.2 6.2 同步时序逻辑电路分析同步时序逻辑电路分析 同步时序电路分析的一般步骤同步时序电路分析的一般步骤n同步时序电路分析举例同步时序电路分析举例 根据给定电路，分析在时钟信号和输入信号作用下，电路根据给定电路，分析在时钟信号和输入信号作用下，电路的状态转换和输出信号变化的规律，确定电路的逻辑功能。的状态转换和输出信号变化的规律，确定电路的逻辑功能。9分析说明逻辑功能分析说明逻辑功能*自启动能力检查自启动能力检查输出方程输出方程同步时序电路分析的一般步骤同步时序电路分析的一般步骤状态方程状态方程状态图状态图 / /

9、 时序图时序图激励方程激励方程逻辑电路图逻辑电路图状态表状态表10同步时序电路分析同步时序电路分析例例1 1解：解：nnQQXZ01)(nQXJ1010KnQXJ0111K输出方程输出方程： (1) (1) 激励方程激励方程：例例1.1.分析下图所示时序电路的逻辑功能。分析下图所示时序电路的逻辑功能。1J1KC11J1KC11Q0QCPXZ=1=1=1&FF1FF011C1C1（Mealy型电路）型电路）（注：激励方程和输出方程中的上标n可以不写）11同步时序电路分析同步时序电路分析- - 例例1 1 (2) (2)由激励方程求状态方程由激励方程求状态方程：nnnnnQQXQKQJQ0

10、1000010)(nnnQKQJQ111111nnQQX10)( (3) (3)作状态表和状态图作状态表和状态图： X Q1nQ0n 0 1 00 01 10 11 01/0 10/0 00/1 00/0 10/1 00/0 01/0 00/0 01 Q1n+1 Q0n+1 /Z0001100/00/00/11/11/01/0 110/01/001QQX/Z注意：斜线下注意：斜线下Z Z的值是的值是n n时刻的值时刻的值, ,而不是而不是n+1n+1时刻的值时刻的值 ! !12同步时序电路分析同步时序电路分析- - 例例1 1(4).(4).逻辑功能分析逻辑功能分析：v检查自启动能力：检查自启

11、动能力：所以该电路是一个加所以该电路是一个加/ /减可控的减可控的3 3进制计数器进制计数器( (可逆计数器）。可逆计数器）。0001100/00/00/11/11/01/0 110/01/0 当当X=0=0时，状态按照加时，状态按照加1 1规律从规律从00 00 01100110循环变化，且每当转换到循环变化，且每当转换到1010状态状态( (最大数最大数) )时，输出时，输出Z Z=1,=1,表示进位。表示进位。 当当X=1=1时，状态按照减时，状态按照减1 1规律从规律从10 10 01000100循环变化，且每当转换到循环变化，且每当转换到0000状态状态( (最小数最小数) )时，输

12、出时，输出Z Z=1,=1,表示借位。表示借位。01QQX/Z（自启动能力自启动能力- -若电路由于某种原因处于无效状态若电路由于某种原因处于无效状态, ,在若干个时钟信在若干个时钟信号作用下号作用下, ,最终能回到有效状态最终能回到有效状态, ,则该电路具有自启动能力。）则该电路具有自启动能力。） 该电路正常工作时该电路正常工作时, 00, 00、0101、1010为有效状态为有效状态,11,11为无效状态为无效状态, ,由状态图可知该电路具有自启动能力。由状态图可知该电路具有自启动能力。13同步时序电路分析同步时序电路分析- - 例例1 1(5).(5).时序图时序图( (设电路初态为设电

13、路初态为00)00)1Q0QXCPZ1Q0QXCPZ0001100/00/00/11/11/01/0 110/ 01/ 001QQX/Z1Q0QXCPZ注意：注意：- - 触发器状态的波形变化与触发器状态的波形变化与CPCP有效边沿的对应；有效边沿的对应； - Mealy- Mealy型电路的输出信号随输入信号和触发器状态的型电路的输出信号随输入信号和触发器状态的 变化而随时可能发生变化。变化而随时可能发生变化。 14分析图示电路分析图示电路, ,画出在画出在CP作用下作用下Q2,Q1,Q0的波形。的波形。DCFF2DCFF1DCFF0CP 1 1 Q2Q1Q0010100112,QQQQDQ

14、DQD2. 状态方程状态方程: : nnnnnnnQQDQQDQQDQ0101001111212,解：解： 1. 1.激励方程激励方程：同步时序分析同步时序分析 - - 例例2 215同步时序分析同步时序分析 - - 例例2 2n0n1n2QQQ101112nnnQQQ 3. 3.作状态表和状态图：作状态表和状态图：000001010101Q2Q1Q0100110011111自启动检查：该电路正常工作时自启动检查：该电路正常工作时, ,状态在状态在001001、010010和和100100之间循环，之间循环， 其他都为无效状态其他都为无效状态, ,由状态图可知该电路具有自启动能力。由状态图可知

15、该电路具有自启动能力。0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 10 0 10 1 01 0 0 1 1 00 0 10 1 0 1 0 01 1 016同步时序分析同步时序分析 - - 例例2 24. 时序图时序图( (设初态为设初态为000 )123456CPQ0Q1Q25. 5. 逻辑功能分析：逻辑功能分析： 该电路在该电路在CP脉冲作用下，把宽度为一个时钟周期的脉冲作用下，把宽度为一个时钟周期的脉冲依次分配给脉冲依次分配给Q0、Q和和Q2各端，因此，该电路为脉冲各端，因此，该电路为脉冲 分配器分配器( (也称为节拍脉冲产生器或顺序脉冲发生器也称为节拍

16、脉冲产生器或顺序脉冲发生器) )。123456CPQ0Q1Q217同步时序电路分析同步时序电路分析 - - 例例3 3分析如图所示电路，并根据输入信号分析如图所示电路，并根据输入信号X X的波形画出输出波形。的波形画出输出波形。DQQDQQ1&CPXZ111222CPXQ1Q2Z118同步时序分析同步时序分析- - 例例3 321221211QXQZXDQQXQQXD2. 状态方程状态方程XDQQQXDQnnnn21221111解解： 1. 激励方程和输出方程激励方程和输出方程DQQDQQ1&CPXZ111222119同步时序分析同步时序分析- -例例3 3 X Q2n Q1n

17、 0 1 00 01 10 11 00/0 00/0 01/0 00/0 10/0 10/1 10/0 10/0 0 1 Q2n+1 Q1n+1 /Z3. 状态表和状态图状态表和状态图000111100/00/01/10/01/00/01/01/0Q2Q1X/ZQ2Q1v检查自启动能力检查自启动能力： 该电路正常工作时该电路正常工作时, 00, 00、0101、1010为有效状态为有效状态,11,11为无效状态为无效状态; ;若电若电路处于路处于1111状态状态, , 经过一个经过一个CPCP后后, ,电路可以回到有效状态电路可以回到有效状态, ,所以该电所以该电路具有自启动能力。路具有自启动

18、能力。20CPXQ1Q2ZCPXQ1Q2Z同步时序分析同步时序分析- -例例3 34. 画输出波形画输出波形 (设Q2Q1 初态为 0 ) X Q2n Q1n 0 1 00 01 10 11 00/0 00/0 01/0 00/0 10/0 10/1 10/0 10/0 0 1 Q2n+1 Q1n+1 /ZCPXQ1Q2ZCPXQ1Q2ZQ2Q1功能：功能：101序列序列检测器检测器21时序电路表达方式转换练习时序电路表达方式转换练习已知某同步时序电路状态表，试求电路的状态方程和输出方程已知某同步时序电路状态表，试求电路的状态方程和输出方程。设设Q1Q0初态初态00, 试根据输入信号波形画出试

19、根据输入信号波形画出Q1 ,Q0 和输出和输出Z 的波形的波形(设触发器设触发器是下降沿有效是下降沿有效)。XnnQQ01)/(1011ZQQnn0 10 0 0 1/ 1 1 1/ 10 1 1 0/ 0 1 0/ 01 0 1 0/ 0 1 1/ 01 1 0 1/ 1 0 0/ 1CP X Q1 Q0 ZnnnnnnQXQQQQQ1010111nnnnnnQXQQXQQQ00101100101QQQQZ状态方程状态方程:输出方程输出方程:（MooreMoore型电路）型电路）（注意：（注意：MooreMoore型电路的输出信号型电路的输出信号 只随触发器状态的变化而变化）只随触发器状态的

20、变化而变化）22Moore型电路的状态表与状态图型电路的状态表与状态图 Moore型电路的状态表和状态图可以采用与型电路的状态表和状态图可以采用与Mealy型相同的格式型相同的格式，也可以采用与，也可以采用与Mealy型不同的格式型不同的格式, 如下如下: Z =F (X , Q) Z =F (Q ) MealyMealy型电路状态图型电路状态图Qn/ZnQ n+1/Zn+1XMooreMoore型电路状态图型电路状态图QQ n+1X/ZnnMealy型电路状态表格式型电路状态表格式Moore型电路状态表格式型电路状态表格式nnnn236.4 异步时序电路的分析异步时序电路的分析异步时序电路和

21、同步时序电路的分析方法和步骤基本相同。异步时序电路和同步时序电路的分析方法和步骤基本相同。时钟方程时钟方程激励方程激励方程 输出方程输出方程 v 逻辑电路图逻辑电路图状态方程状态方程 应首先检查触发器的时钟是否有效，如果无效，应首先检查触发器的时钟是否有效，如果无效，则触发器的次态保持原态不变；只当其时钟有效时，则触发器的次态保持原态不变；只当其时钟有效时，才根据它的状态方程求出次态。才根据它的状态方程求出次态。v 计算状态表中触发器的次态时计算状态表中触发器的次态时不同的是：不同的是：（本节只讨论由触发器构成的异步时序电路）（本节只讨论由触发器构成的异步时序电路）24异步时序电路分析异步时序

22、电路分析 例例1 1CP1=Q0 ， CP0=CP 分析图分析图示的时示的时序逻辑序逻辑电路电路解：解： 时钟方程时钟方程 激励方程激励方程 输出方程输出方程0011,QDQD0101QQQQZ状态方程状态方程 nnnnQQQQ01011125异步时序电路分析异步时序电路分析 例例1 1逻辑功能逻辑功能: :该电路为异步该电路为异步2 2位二进制位二进制（或四进制）减计数器，（或四进制）减计数器，Z是借位信号。是借位信号。Z1QCPQ0时序图时序图( (未考虑传输延时未考虑传输延时) )状态图状态图 Q1Q0/Z 00/111/0 10/0 01/0 状态表状态表( -无触发沿无触发沿 , -

23、有有触发沿触发沿) ) 26异步时序电路的问题异步时序电路的问题由于异步时序的触发器状态变化时刻不一致，且触发器由于异步时序的触发器状态变化时刻不一致，且触发器存在传输延时，使得电路存在短时错误状态。存在传输延时，使得电路存在短时错误状态。考虑触发器传输延时考虑触发器传输延时(tpLH和和tpHL)的时序图的时序图 CP Q0 Q1 Z 27CP0=CPCP1=Q0CP2=Q1CP3=Q0异步时序电路分析异步时序电路分析 例例2 2解：解： 1. 1. 时钟方程时钟方程 激励方程激励方程 输出方程输出方程JKCPQQJKCPQQJKCPQQJKQQCP0000111122222103333QQQQ0123CP3&Z1,11,132132213100KQQJKJKQJKJ30QQZ （图中的触发器（图中