数字逻辑设计 课件 unit 9 寄存器与计数器

Unit9RegistersandCounters

基本寄存器（Registers）

移位寄存器（ShiftRegisters）

计数器（Counters）

节拍发生器（BeatGenerator）

Registers

一个n

位寄存器由

n个触发器构成，能存放n

位二进制数。各种触发器均能构成寄存器，用D

触发器最简单。10104位寄存器

基本寄存器功能表同步时序功能条件寄存器输出异步清零ClrN=0Q3Q2Q1Q0=0000保持ClrN=1,

且Load=0Qn+13Qn+12Qn+11Qn+10=Qn3Qn2Qn1Qn0

写入ClrN=1,Load=1,clk↓

Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0读出En=0Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0LoadClrNCLKQ3Q2Q1Q0D3D2D1D0ClrCEClrCEClrCEClrCEEnClrCEClrNEnLoad

CLKQD44ParallelAdderwithAccumulatorX=X+YRegisterTransfers1.初始化清零：ClrN=0，则Qn

…..Q0=0,即Xn

…..X0=02.ClrN=1,将yi送到全加器输入端3.执行Si=yi+xi4.存储累加和:ClrN=1,Ad=1,CLK↑到来时,寄存器Qi=Si需要清零操作AdCLKClrNxnxix2x1xnxix2x1snsis2s1ynyiy2y1cncic2C1=0Cn+1Ci+1c3QDQDQDQDCECECECEQ’Q’Q’Q’ShiftRegisters

1.右移寄存器（Right-ShiftRegister）(1).串行输入/串行输出（SI/So）Applications:DelaylineShiftingthestoreddatatothenextflip-flop单向移位寄存器——

寄存器里存储的数据在移位脉冲的作用下依次的左移或右移。

可以实现代码的串行→并行转换、数值运算和数据处理等。应用：时间延迟Q3D3CECEQ2D2Q1D1Q0D0CECEShiftClockSerialin(SI)Serialout(SO)CPY3Y4D4Q4D3Q3D2Q2D1

Q1Y2Y11101CPY4Y2Y3

CP

D1

Y4Y3Y2Y1

0000

11000001001101011101Y1D00001000010010101101(2).串入/并出（Serialin/Parallelout）S/PsignalconvertorShiftRegisters

(3).Parallelin/ParalleloutQ3Q2Q1Q0D3D2D1D0(SO)Serialout(SI)Serialin(Sh)ShiftEnable(L)LoadEnableCLK2.Applications——

(1).环形计数器（RingCounter）

Counter:AcircuitthatcyclesthroughafixedsequenceofstatesCPY3Y4D4

10D3

10D2

10D1

10Y2Y1

ShiftRegisters

1000010000100001常用状态图不常用状态图110001100011100111011110011110110000111101011010

优点:

电路简单,输出具有二进制译码器的特点

缺点:

只使用了

n

个状态(total

states:

2n)

不能自启动CPQ3Q4D4

10D3

10D2

10D1

10Q2Q1

2.Applications(2).扭环形计数器(JohnsonCounter/TwistedRingCounter)带反馈的右移寄存器ShiftRegisters

0000100000110001110011101111011101001010001010011101011010110101常用状态图不常用状态图优点：

无险象后级每个译码门只需要2个输入端

模8计数器ShiftRegisters

输入译码输出Q3Q2Q1Q0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7000010000000100001000000110000100000111000010000111100001000011100000100001100000010000100000001X0XXX0010001111000011110Q3Q2Q1Q0XXX000X0X0XXX0000001111000011110Q3Q2Q1Q0XXX100X0Y0=Q3Q0Y1=Q3Q200001000001100011100111011110111常用状态图环形计数器波形图扭环形计数器波形图ShiftRegisters

3.双向移位寄存器Rd

——清零WAC

——写入使能WR——右移使能WL

——左移使能WCB——输出使能CP0

1D30

1D20

1D1RdWCBB1B2B3C2C1C3+++C2C4A3C1C3A2C0C2A1WACWRWLB3＝C3WCBB2＝C2WCBB1＝C1WCBD3＝A3WAC＋C4WR＋C2WLD2＝A2WAC＋C3WR＋C1WLD1＝A1WAC＋C2WR＋C0WLC3n+1＝D3C2n+1＝D2C1n+1＝D1outputequationsInputequationsNext-stateequationsCP0

1D30

1D20

1D1RdWCBB1B2B3C2C1C3+++C2C4A3C1C3A2C0C2A1WACWRWL（1）LoadA1～A3inregisterLet:WAC＝1,WR＝

WL＝0D3＝A31＋C40＋C20＝A3D2＝A21＋C30＋C10＝A2D1＝A11＋C20＋C00＝A1C3n+1＝D3＝A3

C2n+1＝D2＝A2C1n+1＝D1＝A1BidirectionalShiftRegisters

WhencpBidirectionalShiftRegisters

（2）Rightshift

Let:WR＝1，WL＝

WAC＝0C3n+1＝D3＝

C2n+1＝D2＝C1n+1＝D1＝

A30＋C41＋C20＝C4

A20＋C31＋C10＝C3

A10＋C21＋C00＝C2WhencpBidirectionalShiftRegisters

（3）Leftshift

Let：WL＝1，WR＝

WAC＝0C3n+1＝D3＝

C2n+1＝D2＝C1n+1＝D1＝

A30＋C40＋C21＝C2

A20＋C30＋C11＝C1

A10＋C20＋C01＝C0WhencpLet：WCB＝1B3＝C3WCBB2＝C2WCBB1＝C1WCB＝C3＝C2＝C1B3＝C3B2＝C2B1＝C1BidirectionalShiftRegisters

（4）Output寄存器每一个操作（写入、读出、左移、右移）都是在节拍的控制下完成的。不改变触发器状态的操作，只需要节拍电位.节拍节拍电位节拍脉冲BidirectionalShiftRegisters

节拍：一种控制信号必须保证节拍脉冲的边沿被节拍电位的有效电平完全覆盖分类方式种类特点电路框图示例时序逻辑电路按照时钟信号的连接方式按照电路输出与输入及电路状态的关系同步时序——

摩尔型电路（Moore）特点：所有的时钟端连接在一起，状态的改变同时发生

没有统一的时钟脉冲同步，状态的改变有先有后，不同时发生

容易产生毛刺异步时序——

米里型电路（Mealy）电路的输出仅与现态有关,与电路的输入没有直接关系;或者直接以电路状态作为输出。电路输出与电路的现态及电路的输入均有关;Counters

Counters

确定系统变量（输入变量、输出变量、状态变量）①列驱动方程（控制函数）②列输出方程（输出函数）③列状态方程（次态方程）④

列写状态转换表⑤画出状态图⑥画出波形图（如必要）时序逻辑电路的分析方法

RDCP1Y1

Q’QK3J3

Q’QK2J2

Q’QK1J1Y2Y3CP2CP31.异步计数器（Asynchronous

Counters）

Y1n+1=J1Q1+K1Q1＝Y1

Y3n+1＝J3Q3+K3Q3＝Y3

Y2n+1=J2Q2+K2Q2＝Y2

J1=K1=1CP1J2=K2=1CP2=Y1J3=K3=1CP3=Y2

InputequationsExampleNext-stateequationsMoore

Y3Y2Y1

Y3n+1Y2n+1

Y1n+1

CP3CP2CP1

10000012001010

3010011401110

051001016101110

7110111811

10

0

0

Y1n+1=J1Q1+K1Q1＝Y1

Y3n+1＝J3Q3+K3Q3＝Y3

Y2n+1=J2Q2+K2Q2＝Y2

J1=K1=1CP1J2=K2=1CP2=Y1J3=K3=1CP3=Y2

2.同步计数器（Synchronous

Counters）

Y2Y2CP0

1D30

1D20

1D1RdY1Y2Y3C2C1C3++Y3Y2Y1Y1Y2Y1Y3Y1Y3Y1n+1=D1

Y2n+1=D2

Y3n+1=D3

D3=Y3Y2Y1+Y3Y2+Y3Y1

=Y3Y2Y1+Y3Y2Y1

D2=Y2Y1+Y2Y1

D1=Y1InputequationsNext-stateequationsExampleY1n+1=D1

Y2n+1=D2

Y3n+1=D3

D2=Y2Y1+Y2Y1

D1=Y1

D3=Y3Y2Y1+Y3Y2+Y3Y1

=Y3Y2Y1+Y3Y2Y1

Y3Y2Y1

Y3n+1Y2n+1

Y1n+1

CP10000012001010301001140111005100101610111071101118111000

InputequationsNext-stateequationsUnit9RegistersandCounters

基本寄存器（Registers）

移位寄存器（ShiftRegisters）

计数器（Counters）

节拍发生器（BeatGenerator）

节拍发生器（顺序脉冲发生器）——定义

在每个循环周期内,在时钟脉冲的作用下，产生一组在时间上有一定先后顺序的脉冲信号作用

数字系统和计算机的控制部件利用顺序脉冲形成所需要的各种控制信号，使某些设备按照事先规定的顺序进行运算或操作节拍发生器(BeatGenerator)

启动控制器工作

发送指令地址

取出指令

发送操作数地址

取出操作数

通知运算器计算

发送保存结果的地址

保存结果例如：执行result=A+10;CP1Y1

01K2J2

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