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1、6 . 时序逻辑电路的分析与设计,6.1 时序逻辑电路的基本概念6.2 同步时序逻辑电路的分析6.3 同步 时序逻辑电路的设计6.4 异步 时序逻辑电路的分析6.5 若干典型的时序逻辑集成电路6.6 *用Verilog描述时序逻辑电路6.7* 时序逻辑可编程逻辑器件,1. 掌握时序逻辑电路功能的表达方法及其相互转换； 2. 掌握同步时序逻辑电路的分析和设计方法； 3. 掌握异步时序逻辑电路的分析方法； 4. 掌握典型时序逻辑电路计数器、寄存器、移位寄存器的逻辑功能及其应用； 5. 了解时序可编程器件。,教学要求,6.1 时序逻辑电路基本概念,楼房电梯控制引入时序逻辑问题电梯的控制电路需要根据电
2、梯内和各楼层入口处按键信号，以及电梯当前的状态，来决定电梯的上升或下降，同时将电梯当前所处的楼层输出显示。 按键信号输入信号，升降控制和所处楼层显示输出信号；控制电路必须具有存储单元用以记忆，定义电梯当前所处的楼层现态，将要达到的楼层次态，楼层的变换为状态转换；电梯的升降不仅取决于当前按键输入信号，而且取决于电梯当前的状态。确定状态如何转换的信号激励信号。输入信号、输出信号、激励信号以及现态、次态及其状态转换是时序逻辑问题研究的主要内容。,6.1 时序逻辑电路基本概念,1. 时序电路的模型 时序逻辑电路由进行逻辑运算的组合电路和起记忆作用的存储电路组成。电路模型如图。,6.1.1 时序逻辑电路
3、模型与分类,输入信号 I，I=( I1，I2，Ii ) 输出信号 O，O=( O1，O2，Oj ) 激励信号 E，E=( E1，E2，Ek ) 状态信号 S，S=( S1，S2，Sm ) 输出方程组： O=f ( I，S) 激励方程组： E= g ( I，S) 状态方程组： Sn+1=h ( E，S),存储电路的输入信号 存储电路的输出信号,触发器或锁存器构成,输出信号是输入I与状态S的函数 激励信号是输入I与状态S的函数 次态是激励E与状态S的函数,6.1 时序逻辑电路基本概念,时序逻辑电路具有以下特征： .时序逻辑电路由组合逻辑电路和存储电路组成。 .时序逻辑电路的状态变化，不仅与该当前的
4、输入信号有关，而且与电路当前的状态有关。 .时序逻辑电路在任意时刻的输出信号，不仅与该当前的输入信号有关，而且与电路当前的状态有关。,6.1.1 时序逻辑电路模型与分类,6.1 时序逻辑电路基本概念,2. 异步时序电路与同步时序电路,时序逻辑电路,同步时序逻辑电路异步时序逻辑电路,同步时序逻辑电路：存储电路一般用触发器实现，各触发器的时钟端均与统一的时钟脉冲信号相连接，各触发器状态改变受同一时钟信号的控制，它们的状态在同一时刻更新。 目前较复杂的时序电路广泛采用同步时序逻辑电路实现。 异步时序逻辑电路：没有统一的时钟脉冲或没有时钟脉冲，电路的状态更新不是同时发生的。 异步时序逻辑电路又分为脉冲
5、异步时序电路触发器组成，电平异步时序电路锁存器组成。,6.1.1 时序逻辑电路模型与分类,6.1 时序逻辑电路基本概念,以同步时序电路为例对状态进行说明 .时序逻辑电路是状态依赖的，故又称为状态机，本章只限于讨论有限数量存储单元构成的状态机有限状态机； .电路的状态是由触发器的状态组合而成，具有n个触发器的时序电路具有2n个状态，例如n=2， 22 =4，电路具有4个状态：00、01、10、11； .在有效边沿触发前电路的状态为现态，有效边沿触发后电路的状态为次态，次态仅仅表示状态变化时的新状态，变化后又是现态； . 状态的变化产生的次态取决于输入信号和现态，输出信号也取决于输入信号和现态，或
6、者仅取决于现态。,6.1.1 时序逻辑电路模型与分类,6.1 时序逻辑电路基本概念,6.1.2 时序电路功能的表达,组合逻辑关系的表达方法,输出函数表达式真值表卡诺图,时序电路功能的表达方法,方程组状态表状态图时序图,时序电路功能的四种表达方法表示的是同一种逻辑关系，它们可以相互转换，在时序电路分析和设计往往需要利用各种表达方法。 下面通过一个实例，讲解时序电路功能的四种表达方式及相互转换。,输出方程组激励方程组状态方程组,6.1 时序逻辑电路基本概念,考察如图所示电路 有效的同步时序电路 1. 逻辑方程组,(1). 输出方程组,(2). 激励方程组,(3). 状态方程组由激励方程代入触发器特
7、性方程得到,D触发器特性方程：Qn+1=D,Q0+Q1,6.1.2 时序电路功能的表达,6.1 时序逻辑电路基本概念,2. 状态表,(1). 输出方程组,(2). 激励方程组,(3). 状态方程组,状态真值表,常用是状态表，与状态真值表等效，为其集约形式。,0 0/0,0 0/1,0 0/1,0 0/1,1 0/0,0 1/0,1 1/0,0 1/0,状态表,电路方程组状态真值表状态表,6.1.2 时序电路功能的表达,6.1 时序逻辑电路基本概念,3. 状态图 204 由状态表很方便得到状态图。,状态图,0/0,0/1,0/1,0/1,1/0,1/0,1/0,1/0,6.1.2 时序电路功能的
8、表达,6.1 时序逻辑电路基本概念,4. 时序图 由状态表或状态图、输出方程组很方便得到时序图。,Q0,Q1,Y,输出方程,时序图时有时并没有完全表达电路状态转换全过程，如图没有表达状态为11，A=0时状态转换,输入波形自拟,0 0,0 0,0 1,0 0,0 1,1 1,6.1.2 时序电路功能的表达,6.2 同步时序电路分析,时序逻辑电路分析的任务同步时序电路的分析实际上是一个读图、识图的过程。对给定的同步时序电路，分析其在输入信号和时钟的作用下，其状态和输出信号变化的规律，进而理解电路的逻辑功能和工作特性。 分析的关键：找出电路状态和输出变化的规律。分析过程的主要表现形式：时序电路的逻辑
9、功能是由其状态和输出信号的变化规律呈现出来的。所以，分析过程主要是列出电路状态表或画出状态图、时序图。,6.2 同步时序电路分析,同步时序逻辑电路分析方法 代数法 1.了解电路的组成：电路的输入、输出信号、触发器的类型等。 2. 根据给定的时序电路图，写出下列各逻辑方程组： (1). 对应每个输出变量导出输出方程，组成输出方程组； (2). 对应各触发器每个输入变量导出激励方程，组成激励方程组； (3). 将每个触发器的激励方程代入相应触发器特性方程，得各触发器状态方程，组成状态方程组。 3. 根据状态方程组和输出方程组，列出电路的状态表，画出状态图，或拟定一典型输入序列画出时序图； 4. 确
10、定电路的逻辑功能，并用文字描述电路逻辑功能。,6.2.1 分析同步时序电路一般步骤,6.2 同步时序电路分析,例6.2.1 分析如图所示电路,6.2.2 同步时序逻辑电路分析举例,解： 1. 了解电路组成 两个T 触发器组成的同步时序电路，触发。2. 写出各方程组 输出方程组：Y=AQ0Q1,激励方程组：T0=A，T1=AQ0 将激励方程组代入T触发器的特性方程得状态方程组 T触发器的特性方程,将现态和输入逻辑值一一代入状态方程组和输出方程组计算次态和输出值，即可填状态表。 采用分析方法填状态表 只有当A=Q0=Q1=1，Y=1 A=0时， A=1时，,6.2 同步时序电路分析,3. 根据状态
11、方程组和输出方程组，列出状态表，画出状态图； 状态方程组： 输出方程组：Y=AQ0Q1,6.2.2 同步时序逻辑电路分析举例,6.2 同步时序电路分析,3. 根据状态表，画出状态图；,状态图,0/0,1/0,1/1,1/0,0/0,1/0,0/0,0/0,A=0，状态不变； A=1，状态 +1；,6.2.2 同步时序逻辑电路分析举例,6.2 同步时序电路分析,3. 根据状态图，画出时序图；,0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0,Y=AQ0Q1,输出信号Y的下降沿可用于触发进位操作； 当A受干扰于处产生低电平，则造成处虚假进位信号。,典型输入序列
12、11110101111,1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1,6.2.2 同步时序逻辑电路分析举例,6.2 同步时序电路分析,4. 确定电路的逻辑功能。,观察状态图和时序图可知，电路是一个由信号A控制的可控二进制计数器。 当A=0时停止计数，电路状态保持不变； 当A=1时，在CP上升沿到来后电路状态值加1，一旦计数到11状态，Y 输出1，且电路状态将在下一个CP上升沿回到00。输出信号Y的下降沿可用于触发进位操作。,6.2.2 同步时序逻辑电路分析举例,计数器：每来1个脉冲，+1加1计数器， 1减1计数器。,6.2 同步时序电路分析,同步时序逻辑电路分析另一种方法 表格法 1.了解电路的
13、组成：电路的输入、输出信号、触发器的类型等。 2. 根据给定的时序电路图，写出下列各逻辑方程组； (1). 对应每个输出变量导出输出方程，组成输出方程组； (2). 对应各触发器每个输入变量导出激励方程，组成激励方程组； (3). 列电路次态真值表； 3. 根据次态真值表和输出方程组，列出电路的状态表，画出状态图，或拟定一典型输入序列画出时序图； 4. 确定电路的逻辑功能，并用文字描述电路逻辑功能。与代数法比较，仅标红色处不同。无论何种方法，都是要得到状态表，状态图，时序图，从而确定电路的逻辑功能。,6.2.2 同步时序逻辑电路分析举例,例6.2.2 用表格法分析下图所示同步时序逻辑电路。,2
14、. 写出输出方程组和激励方程组,激励方程组,6.2 同步时序电路分析,解：1. 了解电路组成 两个JK 触发器组成的同步时序电路，触发。 输出Z与输入A无直接关系。,输出方程组：Z = Q0Q1,6.2.2 同步时序逻辑电路分析举例,列电路次态真值表,0 0,1 1,0 0,1 1,1 1,0 0,1 1,0 0,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,0,1,1,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,1,0,6.2 同步时序电路分析,例6.2.2 用表格法分析下图所示同步时序逻辑电路。,激励,输出：Z = Q0Q1,为了得到次态，列JK触发器功能表。,6.2.2
15、 同步时序逻辑电路分析举例,3.根据电路次态真值表和输出函数方程，作出状态表和状态图,0 1,1 0,1 1,0 0,1 1,0 0,0 1,1 0,6.2 同步时序电路分析,0 0 0 1,Z = Q0Q1,6.2.2 同步时序逻辑电路分析举例,3. 根据状态表，画出状态图；,状态图,0,0,0,0,1,1,1,1,电路是一个2位二进制数可逆计数器。,电路输入A=0 加1计数 0001 10 11,电路输入A=1 减1计数 0011 10 01,6.2 同步时序电路分析,6.2.2 同步时序逻辑电路分析举例,3. 拟定一典型输入序列111100000画时序图 506,1 2 3 4 5 6 7 8 9,
