集成电路设计基础：第八章 数字系统稳定性分析与设计

1、第八章 数字系统稳定性分析与设计电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心 对于数字系统来说，稳定无故障工作是基本的要求，然而在实际设计和应用中，数字系统的稳定性是非常复杂的，因此稳定性是数字系统设计与实现的核心问题之一。2022/8/71数字集成电路设计方法第八章 数字系统稳定性分析与设计电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心系统稳定性问题的提出与理解时序网络分析方法状态流程图分析方法状态流程图分析实例2022/8/72数字集成电路设计基础第八章 稳定性分析稳定性问题与理解电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心 VLSIC系统是由上千万门和模拟单元构成的庞大电路系统，时序

2、逻辑复杂；两维结构（输入和控制）的电路形式，存在时延和干扰；VLSIC遵循摩尔定律，器件尺寸不断缩小，其性能受寄生参数的影响较大，抗干扰性差；VLSIC系统电压较低，逻辑摆幅较小，系统的噪声容限变小了，极易受到脉冲干扰；2022/8/73数字集成电路设计基础稳定性问题提出第八章 稳定性分析稳定性问题与理解电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/74数字集成电路设计基础RS触发器的典型操作(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)R和S不能同时撤销，否则会导致状态不确定。第八章 稳定性分析稳定性问题与理解电子科学与技术系超大规模集成电路与系

3、统研究中心2022/8/75数字集成电路设计基础稳定性理解在VLSIC系统中，模拟电路的抗噪性能和数字电路的时延以及逻辑竞争等都会直接影响到系统的稳定性，本章节只围绕VLSIC数字电路稳定性展开分析。对于VLSIC系统来说，其输出信号不仅是该时刻输入信号的函数，也是过去输入信号的函数，即具有时序电路的特性。第八章 稳定性分析稳定性问题与理解电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/76数字集成电路设计基础时序网络稳定性的一般理解逻辑单元的稳定性 输入值与输出值的核对结果符合真值表时，称该逻辑门是稳定的。但逻辑门不都是理想的，它们都有延迟正在传递的信号的作用。虽然这种延迟可能是

4、很小的，但总是存在。即可能有一个很短的时间间隔，逻辑门的状态与真值表不相一致。这个违反真值表的时间间隔，称为不稳定期间。第八章 稳定性分析稳定性问题与理解电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/77数字集成电路设计基础时序网络稳定性的一般理解时序网络的稳定性 当时序网络中所有的门都是稳定的时候，并且其组成的时序系统也是稳定的时候，称该时序网络是稳定的。因为逻辑门只要有足够的时间，总是可以趋向稳定。与逻辑门不同，而时序网络可能从一个不稳定状态移动到另一个不稳定状态上去。第八章 稳定性分析时序网络的分类电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/78数字集成电路

5、设计基础时序网络分类Mealy型时序电路输出依赖于当前的网络状态和当前的输入Moore型时序电路输出只依赖于电路当前的状态，和当前输入无关激励激励第八章 稳定性分析时序网络的分类电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/79数字集成电路设计基础Mealy型时序电路下一状态逻辑 F状态寄存器输出逻辑 G激励当前状态第八章 稳定性分析时序网络的分类电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/710数字集成电路设计基础Moore型时序电路下一状态逻辑 F状态寄存器输出逻辑 G第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/

6、711数字集成电路设计基础稳定性分析方法 对于数字系统时序网络稳定性的分析方法有很多种，这里只重点讲解两种常用的分析方法。 解析法状态流程图第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/712数字集成电路设计基础时序网络的解析分析方法写出激励方程写出次态方程写出输出方程得到状态转移表画出状态转移图画出时序图按照电路写出各个触发器的激励方程将触发器的激励方程代入触发器的特性方程，得到次态方程按照电路连接写出输出方程利用得到的次态方程得到状态转移表利用转移表画出状态转移图利用次态方程和输出方程画出时序图第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超

7、大规模集成电路与系统研究中心2022/8/713数字集成电路设计基础时序网络的解析分析方法与非门反相器内置的与门主从式触发的J-K触发器第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/714数字集成电路设计基础 ：第一步：写出激励方程J3=Q1Q2K3=Q2J1=(Q2Q3)K1=1J2=Q1K2=(Q1Q3)写出激励方程写出次态方程写出输出方程得到状态转移表画出状态转移图画出时序图第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/715数字集成电路设计基础 ：写出激励方程写出次态方程写出输出方程得到状态转移

8、表画出状态转移图画出时序图第二步：把激励方程带入触发器的特性方程，得到次态方程激励方程JK触发器的特征方程次态方程Q1n+1=(Q2Q3)Q1Q2n+1=Q1Q2+(Q1Q3)Q2Q3n+1=Q1Q2Q3+Q2Q3J1=(Q2Q3)K1=1J2=Q1K2=(Q1Q3)J3=Q1Q2K3=Q2第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/716数字集成电路设计基础 ：写出激励方程写出次态方程写出输出方程得到状态转移表画出状态转移图画出时序图Y=Q2Q3第三步：按照电路图得到输出方程输出方程第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电

9、路与系统研究中心2022/8/717数字集成电路设计基础 ：写出激励方程写出次态方程写出输出方程得到状态转移表画出状态转移图画出时序图第四步：构建状态转移表Q1n+1=(Q2Q3)Q1Q2n+1=Q1Q2+(Q1Q3)Q2Q3n+1=Q1Q2Q3+Q2Q3Y=Q2Q3Q3Q2Q1Q3n+1Q2n+1Q1n+1Y00000100010100010011001110001001010101110011000011110001第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/718数字集成电路设计基础 ：写出激励方程写出次态方程写出输出方程得到状态转移表画出

10、状态转移图画出时序图第四步：构建状态转移表Q3Q2Q1Q3n+1Q2n+1Q1n+1Y00000100010100010011001110001001010101110011000011110001Q3Q2Q1Q3n+1Q2n+1Q1n+1YAB0BC0CD0DE0EF0FG0GA1HA1第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/719数字集成电路设计基础 ：写出激励方程写出次态方程写出输出方程得到状态转移表画出状态转移图画出时序图ABCDEFGHQ3Q2Q1Q3n+1Q2n+1Q1n+1YAB0BC0CD0DE0EF0FG0GA1HA1/0/

11、0/0/0/0/0/1/1第五步：得到时序电路的状态图/0,/1：表示电路状态变化前的输出第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/720数字集成电路设计基础 ：写出激励方程写出次态方程写出输出方程得到状态转移表画出状态转移图画出时序图QAQBQC000001010011100101110000每7个时钟周期输出一个1ABCDEFGAYCP第六步：画出时序图第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/721数字集成电路设计基础时序网络的状态流程图分析方法 对于时序网络来说，采用状态流程图对其稳定性

12、进行分析的方法，可以比较快速的找到时序电路的允许状态，比较适合于编制程序来处理，但是它对时序网络的设计和其它方面的分析有其局限性。 在采用状态流程图对时序网络进行分析时，首先要搞清楚时序网络的外部输入和内部门电路状态（内部门电路输入），这两个输入是分析时序网络的主要信号源。第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/722数字集成电路设计基础时序网络的状态流程图分析方法状态流程图的构造对应几个输入值的图，包含2n个方块。状态流程图将外部输入的各种组合都横排在图表的顶部，将内部门输入的各种组合自上而下地排在表的一侧。例如，具有两条外部输入线和两条内

13、部输入线的网络。 第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/723数字集成电路设计基础状态流程图分析方法的一般步骤对时序网络电路中的内部门输入进行编号；依次写出每个门输出的布尔表达式；绘制状图流程图；将时序网络的稳定状态用圆圈圈起来，用箭头表示时序网络状态的转移情况。第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/724数字集成电路设计基础时序网络的状态流程图分析方法下图是一个由或非门构成的RS触发器门1的输出= 门2的输出 =第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究

14、中心2022/8/725数字集成电路设计基础时序网络的状态流程图分析方法流程图对竞争状态的描述临界竞争：网络最终状态具有多样性或者不可预测的情况（工作点或者状态）；非临界竞争：网络最终状态具有唯一性，即不论工作点选取什么样的路径，网络总可以稳定到唯一的一个稳定状态上。第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/726数字集成电路设计基础压缩状态流程图分析方法 下图是一个由或非门构成的RS触发器门1的输出= 门2的输出 = 假设门1是核心模块，内部信号1是关键信号路径，那么：门1的输出= 第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成

15、电路与系统研究中心2022/8/727数字集成电路设计基础压缩状态流程图分析方法 假定门1是核心模块，内部信号1是关键信号路径，上图RS触发器的压缩状态流程图则有下图所示第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/728数字集成电路设计基础状态流程图分析实例自触发器 由与非门组成的置、复位触发器写出内部门的布尔表达式：第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/729数字集成电路设计基础状态流程图分析实例自触发器 写出内部门的布尔表达式：绘制状态流程图第八章 稳定性分析稳定性分析方法电子科学与技术系超大规模集成电路与系统研究中心2022/8/730数字集成电路设计基础状态流程图分析实例自动清除型触发器 下图是由2个与非门和2个或非门构成的自动清除型触发器，当选通线为高电水平，输出就取得数据线的值，选通线为低电平时，输出端保持当前的状态，即输入数据线端的值不会改变