EDAPPT课件：第3章 时序逻辑电路.pptx

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1、第第3 3章章 时序逻辑电路时序逻辑电路2问题的提出问题的提出数字逻辑电路分为两大类：数字逻辑电路分为两大类：组合电路组合电路时序电路时序电路 编码器 ，译码器 ，数据选择器 ，数值比较器，加法器 ，乘法器知识回顾：常用的组合电路？知识回顾：常用的组合电路？问题：为什么要用时序电路？问题：为什么要用时序电路？典型的时序电路：寄存器，计数器，读/写存储器，移位寄存器，顺序脉冲发生器3本章内容本章内容3.1 3.1 概述概述 时序电路的基本概念及特点时序电路的基本概念及特点 、分类，逻辑功能的表示方法、分类，逻辑功能的表示方法 3.2 3.2 锁存器及触发器锁存器及触发器 常见锁存器及触发器的工作

2、原理、逻辑符号、功能常见锁存器及触发器的工作原理、逻辑符号、功能特性特性3.3 3.3 时序电路的分析时序电路的分析3.4 3.4 常用的时序逻辑电路常用的时序逻辑电路 寄存器寄存器 ，计数器，计数器3.5 3.5 时序电路的设计方法时序电路的设计方法 3.6 3.6 时序逻辑电路时序分析的基本概念时序逻辑电路时序分析的基本概念 时钟信号，建立时间、保持时间和最大传播延迟时间，时钟信号，建立时间、保持时间和最大传播延迟时间， 稳态与亚稳态，稳态与亚稳态， 分辨时间分辨时间 ，时钟偏差，时钟偏差 43.1 概述概述3.1.1 时序电路的基本概念及特点时序电路的基本概念及特点3.1.2 时序电路逻

3、辑功能的表示方法时序电路逻辑功能的表示方法3.1.3 时序电路的分类时序电路的分类53.1 概述概述时序逻辑电路：时序逻辑电路：n与与时钟脉冲时钟脉冲序列有关序列有关n以组合电路为基础，但又与组合电路不同以组合电路为基础，但又与组合电路不同63.1.1 3.1.1 时序电路的基本概念及特点时序电路的基本概念及特点逻辑功能上的特点逻辑功能上的特点n任意时刻电路的稳定输出，不仅取决于该时刻各任意时刻电路的稳定输出，不仅取决于该时刻各个个输入变量的取值输入变量的取值，还取决于，还取决于电路原来的状态电路原来的状态。即：与以前的输入有关。即：与以前的输入有关。n凡是符合该特点的数字电路都是时序逻辑电路

4、凡是符合该特点的数字电路都是时序逻辑电路 时序逻辑电路的定义。时序逻辑电路的定义。电路结构上的特点电路结构上的特点n通常包含组合电路和通常包含组合电路和 存储电路存储电路（必不可少必不可少） 由具有记忆功能的锁存器或触发器构成由具有记忆功能的锁存器或触发器构成 n存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入端，与输入信号一起，共同决定组合电路的输出。端，与输入信号一起，共同决定组合电路的输出。有些时序电路没有输入信号，有的没有组合逻辑部有些时序电路没有输入信号，有的没有组合逻辑部分，但只要它们在逻辑功能上具有时序电路的基本分，但只要它们在逻辑功能上具有时

5、序电路的基本特征，仍然属于时序电路。特征，仍然属于时序电路。 73.1.2 3.1.2 时序电路逻辑功能的表示方法时序电路逻辑功能的表示方法1逻辑表达式逻辑表达式 输出函数输出函数 、驱动函数、驱动函数(激励函数激励函数) 、状态函数。、状态函数。 Qn：触发器的现态；：触发器的现态； Qn+1：触发器的次态：触发器的次态 8逻辑表达式逻辑表达式93.1.2 3.1.2 时序电路逻辑功能的表示方法时序电路逻辑功能的表示方法 2状态表状态表 描述时序电路中描述时序电路中存储状态存储状态转换过程及其与输入、转换过程及其与输入、输出信号之间关系的表格。输出信号之间关系的表格。 10状态表状态表 状态

6、编码：对字母所表示的状态进行编码状态编码：对字母所表示的状态进行编码状态转换真值表：编码后的状态表书写为真值表形式状态转换真值表：编码后的状态表书写为真值表形式S0S1S2S30S0/1S0/1S0/1S0/11S1/1S2/1S3/0S3/0输入输入X当前当前状态状态下一下一状态状态输出输出Y000(S0)00(S0)1001(S1)00(S0)1010(S2)00(S0)1011(S3)00(S0)1100(S0)01(S1)1101(S1)10(S2)1110(S2)11(S3)0111(S3)11(S3)0状态编码：状态编码：S0(00)、S1(01)、S2(10)、S3(11) 下一

7、状态下一状态 / Y11状态表状态表 123.1.2 3.1.2 时序电路逻辑功能的表示方法时序电路逻辑功能的表示方法 3状态图状态图n通过几何图形方式，将时序电路的状态转换关通过几何图形方式，将时序电路的状态转换关系及转换条件表示出来，又称系及转换条件表示出来，又称状态转换图状态转换图。n只有给状态进行编码后，才能开始时序逻辑电只有给状态进行编码后，才能开始时序逻辑电路的路的设计设计 n步骤：步骤：（1）画出电路的所有状态）画出电路的所有状态 （一个圆圈对应一个存储状态 ）（2）用箭头描述状态的转换方向）用箭头描述状态的转换方向（3）箭头旁边注明状态转换的条件及输出结果）箭头旁边注明状态转换

8、的条件及输出结果 13状态图状态图 S0S1S2S30S0/1S0/1S0/1S0/11S1/1S2/1S3/0S3/0S0S1S2S3X/Y0/11/11/10/11/00/10/11/0143.1.2 3.1.2 时序电路逻辑功能的表示方法时序电路逻辑功能的表示方法 4时序图时序图 可反映出在时钟脉冲序列及输入信号的作用下，可反映出在时钟脉冲序列及输入信号的作用下，电路状态及输出状态随时间变化的波形电路状态及输出状态随时间变化的波形153.1.3 3.1.3 时序电路的分类时序电路的分类1按触发器的时钟脉冲控制方式分类按触发器的时钟脉冲控制方式分类n同步时序电路同步时序电路 ：存储电路中所

9、有的触发器状态的改变存储电路中所有的触发器状态的改变都是在同一个时钟脉冲（都是在同一个时钟脉冲（Clk）控制下同时发生）控制下同时发生 n异步时序电路异步时序电路 ：存储电路中的触发器由两个或两个以存储电路中的触发器由两个或两个以上的上的Clk控制或没有控制或没有Clk控制控制 2按输出和输入的关系分类按输出和输入的关系分类nMealy型时序电路型时序电路 ：输出信号不仅取决于存储电路输出信号不仅取决于存储电路的状态，而且还与输入直接有关系。即的状态，而且还与输入直接有关系。即 Y=F X，Q nMoore型时序电路型时序电路 ：输出信号仅仅取决于存储电路输出信号仅仅取决于存储电路的状态。即的

10、状态。即 Y=F Q 163.2 锁存器及触发器锁存器及触发器 3.2.1 锁存器锁存器1基本RS锁存器2D锁存器3门控D锁存器3.2.2 触发器触发器1D触发器2JK触发器3RS触发器4T触发器5带置位、清零端的触发器6触发器集成电路7触发器逻辑功能的转换173.2 锁存器及触发器锁存器及触发器 共同点：具有存储功能的共同点：具有存储功能的 双稳态双稳态 元器件元器件不同点：不同点：n锁存器是电平敏感的存储元件锁存器是电平敏感的存储元件n触发器是边沿触发的存储元件触发器是边沿触发的存储元件锁存器锁存器基本基本RS锁存器，锁存器，D锁存器锁存器 ，门控，门控D锁存器锁存器触发器触发器 D触发器

11、触发器 ，JK触发器，触发器， RS触发器触发器 ，T触发器触发器 带置位、清零端的触发器带置位、清零端的触发器 ，触发器集成电路，触发器集成电路 存储状态存储状态 0 态和态和 1 态均为稳定的状态态均为稳定的状态183.2.1 3.2.1 锁存器锁存器1基本基本RS锁存器锁存器 （1）基本结构及工作原理）基本结构及工作原理 由一对或非门交叉耦合而成的基本锁存器:19基本基本 R R S S 锁存器的工作原理锁存器的工作原理 R0、 S0 ：输出为稳定的：输出为稳定的 0 态态 或或 1 态态 ， 即即 Qn+1= Qn R0、 S1：输出状态为：输出状态为 1 态。即态。即 Qn+1=1

12、R1 、S0：输出状态为：输出状态为 0 态。即态。即 Qn+1=0R1、 S1 ：Q0、 0，此输出既非，此输出既非0态，也非态，也非1态。态。 这种状态非锁存器的正常工作状态，应避免出现。这种状态非锁存器的正常工作状态，应避免出现。 Qn： 接收信号之前的状态接收信号之前的状态 （简称现态）（简称现态）Qn+1：接收信号之后的状态：接收信号之后的状态 （简称次态）（简称次态）双稳态双稳态20（2 2）基本）基本 R R S S 锁存器的特性表及特性函数锁存器的特性表及特性函数 特性表：特性表：反映锁存器或触发器的次态（Qn+1）与现态（Qn）以及输入信号之间对应关系的表格。类似于真值表 。

13、特性函数：特性函数：以逻辑表达式的方式反映锁存器或触发器的次态（Qn+1）与现态（Qn）以及输入信号之间函数关系。输输 入入功能功能说明说明RSQnQn+1000000110101011110001010110111保持保持置置 1置置 0不允许不允许RSQn11100021（3 3）基本）基本 R R S S 锁存器时序图锁存器时序图 t9 时刻：时刻：R=0、S=0，锁存器应保持为双稳态中的，锁存器应保持为双稳态中的 0 态或态或 1 态态 但但前一时刻前一时刻R=S=1，使，使Q0、 0（非锁存器的正常状态）（非锁存器的正常状态） t9 时刻锁存器状态无法确定，取决于两或非门延迟的差异时

14、刻锁存器状态无法确定，取决于两或非门延迟的差异图中虚线：表示这种不确定的状态图中虚线：表示这种不确定的状态竟态现象：竟态现象：两个有效信号同时撤销所产生的状态不确定的情况。两个有效信号同时撤销所产生的状态不确定的情况。 22（4 4）基本）基本 R R S S 锁存器的特点锁存器的特点 电路比较简单电路比较简单是组成各种功能更为完善的锁存器及触发器的基是组成各种功能更为完善的锁存器及触发器的基本单元本单元输入信号直接控制着输出的状态输入信号直接控制着输出的状态（称为电平直接控制）（称为电平直接控制）具有保持、置具有保持、置1、置、置0功能功能 （根据输入信号的不同（根据输入信号的不同 ）输入信

15、号输入信号R 、S之间有约束之间有约束232. D 2. D 锁存器锁存器（1）基本结构及工作原理）基本结构及工作原理nD0： Qn+1=0 nD1： Qn+1=1 （2）特性表及特性函数）特性表及特性函数置置 0置置 1DQnQn+1功能功能说明说明000010101111242. D 2. D 锁存器锁存器（3）时序图）时序图 （4） D 锁存器的特点锁存器的特点 n电平直接控制电平直接控制 n不存在不存在RS触发器的约束问题触发器的约束问题 n具有置具有置 0 及置及置 1 功能功能 253 3门控门控 D D 锁存器锁存器 （1）基本结构及）基本结构及 工作原理工作原理 增加了控制同步

16、控制同步的时钟信号时钟信号Clk ：nClk0：Qn+1=Qn ，锁存器状态不改变nClk1：Qn+1=D (由输入信号D控制锁存器状态） （2）特性函数）特性函数:263 3门控门控 D D 锁存器锁存器（3）时序图）时序图 （4）门控）门控 D 锁存器的特点锁存器的特点 n具有置具有置 0 和置和置 1 功能功能 n受同步时钟受同步时钟Clk控制控制 nClk1 期间接收信号nClk0 期间锁存，便于多个锁存器同步多个锁存器同步工作 273.2.2 3.2.2 触发器触发器知识回顾：锁存器和触发器的异同？知识回顾：锁存器和触发器的异同？共同点：具有存储功能的共同点：具有存储功能的 双稳态双稳态 元器件元器件不同点不同点：n锁存器是电平敏感的存储元件锁存器是电平敏感的存储元件n触发器是边沿触发的存储元件触发器是边沿触发的存储元件存储状态存储状态 0 态和态和 1 态均为稳定的状态态均为稳定的状态281. D 1. D 触发器触发器 （1）电路原理及逻辑符号）电路原理及逻辑符号 时钟上升时钟上升沿沿触发触发291. D 1. D 触发器触发器 D 信号只在时钟脉冲信号只在时钟脉冲 Cl