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第六章第六章 同步时序同步时序 逻辑电路逻辑电路 学习要求：学习要求：学习要求：学习要求：了解时序电路的根本结构、分类和常用的了解时序电路的根本结构、分类和常用的了解时序电路的根本结构、分类和常用的了解时序电路的根本结构、分类和常用的描述方法；描述方法；描述方法；描述方法；熟练掌握同步时序电路分析和设计的根熟练掌握同步时序电路分析和设计的根熟练掌握同步时序电路分析和设计的根熟练掌握同步时序电路分析和设计的根本方法；本方法；本方法；本方法；熟悉状态图的建立，状态简化和状态分熟悉状态图的建立，状态简化和状态分熟悉状态图的建立，状态简化和状态分熟悉状态图的建立，状态简化和状态分配的各个重要环节。配的各个重要环节。配的各个重要环节。配的各个重要环节。6.1 时序逻辑电路的特点和描述方法时序逻辑电路的特点和描述方法1.1.时序电路：时序电路：时序电路：时序电路：一个电路在任何时刻的稳定输出不仅与该时刻电路的输入信号有关，而且与该电路过去的输入有关，这样的电路称为时序电路。时序电路由组合电路和存储(记忆)器件及反响回路三局部组成，见以下图.x1z1组合电路存储器件xnzmyry1Y1Ylx1.xn：时序电路的输入或外部输入；时序电路的输入或外部输入；z1.zm：时序电路的输出或外部输出；时序电路的输出或外部输出；y1.yr：时序电路的状态或内部输入；时序电路的状态或内部输入；Y1.Yl：时序电路的鼓励或内部输出；：时序电路的鼓励或内部输出；状态状态：过去的输入已不存在，但可以通过存储器件把它们记录下来，称之为状态。记录下来的信息可能和过去的输入完全一样，也可能是经过了组合电路加工处理后的结果。我们把某一时刻之前的状态称为现态，把这一时刻之后的状态称为次态，现态和次态是一个相对的概念，分别用y(n)(或y)和y(n+1)表示。时序电路的逻辑函数由以下方程组成：时序电路的逻辑函数由以下方程组成：Zi=fi(x1,，xn;y1,，yr),i=1,mYj=gj(x1,，xn;y1,，yr),j=1,l输出方程激励方程2.时序逻辑电路的分类时序逻辑电路的分类:1 1按照电路的工作方式按照电路的工作方式 同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路 根据是否有统一时钟脉冲根据是否有统一时钟脉冲CPCPn同步时序电路同步时序电路 特点：特点：电路中有统一的定时信号，存储器件采用时钟控制触发器，电路状态在时钟脉冲控制下同时发生转换，即电路状态的改变依赖于输入信号和时钟脉冲信号。具体说：状态如何变？取决与输入信号；状态何时变?取决于时钟信号；每个状态维持多久？取决于时钟脉冲。在研究同步时序逻辑电路时，通常不把同步时钟信号作为输入信号处理，而是将它当成一种默认的时间基准。对时钟的要求：对时钟的要求：脉冲的宽度：必须保证触发器可靠翻转；脉冲的频率：必须保证前一个脉冲引起的电路响应完全结束后，后一个脉冲才能到来。n异步时序逻辑电路异步时序逻辑电路n 异步时序逻辑电路的存储电路可由触异步时序逻辑电路的存储电路可由触发器或延时元件组成，电路中没有统一的时钟发器或延时元件组成，电路中没有统一的时钟脉冲信号同步，电路外部输入信号的变化将直脉冲信号同步，电路外部输入信号的变化将直接导致电路状态的变化。接导致电路状态的变化。n 在状态转移过程中，各存储元件的状态在状态转移过程中，各存储元件的状态变化不一定发生在同一时刻，不同状态的维持变化不一定发生在同一时刻，不同状态的维持时间不一定相同。时间不一定相同。n 在研究异步时序逻辑电路时，对输入在研究异步时序逻辑电路时，对输入信号的形式有所区分。脉冲还是电平信号的形式有所区分。脉冲还是电平两种时序电路类型见以下图：(a)同步时序电路x1z1组合电路存储器件或延时器件xnzmyry1Y1Yl(b)异步时序电路x1z1组合电路存储器件xnzmyry1Y1Yl时钟同步二进制加法计数器异步二进制加法计数器2 2按照电路输出与输入是否直接相关按照电路输出与输入是否直接相关 Mealy Mealy型和型和MooreMoore型型 输出状态仅与存储电路的输出状态仅与存储电路的状态状态Q有关，而与输入有关，而与输入X无直接关系无直接关系。米里米里Mealy型型摩尔摩尔Moore型型 输出状态不仅与存储电路的输出状态不仅与存储电路的状态状态Q Q有关，而且与外有关，而且与外部部输入输入X X也有关。也有关。Zi=fi(x1,，xn;y1,，yr),i=1,mZi=fi(y1,，yr),i=1,m 也可观察输出函数中是否有电路输入，如果没有输入信号或者电路无专门的外部输出信号，都视为Moore型电路的特例 无论是同步时序逻辑电路或是异步时序逻辑电路，均有Mealy型和Moore型两种模型。3按照输入信号的形式 脉冲信号和电平信号 具体的有同步输入脉冲、同步输入电平、异步输入脉冲、异步输入电平时序电路输入信号的波形图：时钟脉冲(CP)同步脉冲01111100异步脉冲11111000同步电平01111100异步电平100001113.3.时序逻辑电路的表示方法：时序逻辑电路的表示方法：时序逻辑电路的表示方法：时序逻辑电路的表示方法：状态表和状态图状态表和状态图状态表和状态图状态表和状态图状态表与状态图是用来表示同步时序电路的输入、输出、现态、次态之间转移关系的两种常用工具。Mealy 型状态表和状态图型状态表和状态图如果同步时序电路的输出是输入和现态的函数，即Zi=fi(x1,，xn;y1,，yr),i=1,m，那么称该电路为Mealy型电路。一、状态表一、状态表一、状态表一、状态表Mealy 型电路状态表现态次态/输出输入xyy(n+1)/Z该表说明：处在状态y的同步时序电路，当输入为x时，输出为z，且在时钟脉冲作用下，电路进入次态y(n+1)。某Mealy 型电路状态表现 态次态/输出(y(n+1)/Z)x=0yA/0A/0B/0 x=1B/0C/0A/1ABC二、状态图二、状态图二、状态图二、状态图状态图是一种反映同步时序电路状态转移规律和输入、输出取值关系的有向图。yx/zy(n+1)Mealy型电路状态图某Mealy型电路状态图ACB0/01/00/00/01/01/1Moore 型状态表和状态图型状态表和状态图如果同步时序电路的输出仅是现态的函数,即Zi=fi(y1,yr),i=1,m,那么称电路为Moore型电路。它的电路结构图可表示为:x1组合电路xnyry1Y1Yl存储器件组合电路z1zm一、状态表一、状态表一、状态表一、状态表Moore 型电路状态表现 态次 态输入xyy(n+1)Z输 出该表说明：当电路处于状态y时，输出为z，假设输入为x，那么在时钟脉冲作用下，电路进入次态y(n+1)。某Moore 型电路状态表现 态次 态 y(n+1)x=0yCBBx=1ABC输 出ZBCA010二、状态图二、状态图二、状态图二、状态图Moore型电路状态图某Moore型电路状态图y/zxy(n+1)ZC/0A/0B/10101106.2 同步时序逻辑电路的分析同步时序逻辑电路的分析分分分分析析析析的的的的任任任任务务务务：对一个给定的时序逻辑电路，研究在一系列输入信号作用下，电路将会产生怎样的输出，进而说明该电路的逻辑功能。实际上是要求出电路的状态表、状态图或时间图，并作出功能评述。逻辑电路图输出函数和激励函数表达式 触发器次态方程触发器功能表状态表和状态图用时间图和文字描述电路逻辑功能列出状态转移真值表 电路次态方程组表格法代数法例：用表格法分析以下图所示的同步是序逻辑电路例：用表格法分析以下图所示的同步是序逻辑电路例：用表格法分析以下图所示的同步是序逻辑电路例：用表格法分析以下图所示的同步是序逻辑电路1K1J1CK2J2CY2Y1CP1X输入信号电路状态鼓励信号鼓励信号同步同步Moore型解：解：解：解：第一步：写出输出函数和鼓励函数表达式。第一步：写出输出函数和鼓励函数表达式。第一步：写出输出函数和鼓励函数表达式。第一步：写出输出函数和鼓励函数表达式。J1=K1=1 J2=K2=x y1第二步第二步第二步第二步：列出状态转移真值表。现 态y2 y1 激 励 函 数J2K2J1K1次 态y2(n+1)y1(n+1)000011110 00 11 01 10 00 11 01 1010110100101101011111111111111110 11 01 10 01 10 00 11 0输 入x第三步：第三步：第三步：第三步：作出状态表和状态图。次 态 y2(n+1)y1(n+1)0 00 11 01 1现 态 y2 y1 x=0 x=10 11 01 10 01 10 00 11 00001101101100110 x第四步：第四步：第四步：第四步：用时间图和文字描述电路和逻辑功能。当x=0时,该电路进行同步模4加1计数,计数序列为:00011011当x=1时,该电路进行同步模4减1计数,计数序列为:00111001时间图的作法：时间图的作法：选定一个典型的输入序列；根据选定的典型输入序列，求出状态响应序列(和输出响应序列)输入序列为：x=11110000,初态：y2y1=00 CP:12345678 x:11110000 y2:01100011 y1:01010101y2(n+1):11000110 y1(n+1):10101010 画时间图:11110000y1y2x12345678CP例：试有代数法分析以下图所示的同步时序逻辑电路。例：试有代数法分析以下图所示的同步时序逻辑电路。例：试有代数法分析以下图所示的同步时序逻辑电路。例：试有代数法分析以下图所示的同步时序逻辑电路。1D1CD2Cy2CPx&y1z同步输入信号电路状态鼓励信号输出信号Mealy型解：解：解：解：第一步：写出输出函数和鼓励函数表达式。第一步：写出输出函数和鼓励函数表达式。第一步：写出输出函数和鼓励函数表达式。第一步：写出输出函数和鼓励函数表达式。Z=x y2 y1D2=x+y2+y1=x y2 y1D1=x第二步：把鼓励函数表达式代入触发器的次第二步：把鼓励函数表达式代入触发器的次第二步：把鼓励函数表达式代入触发器的次第二步：把鼓励函数表达式代入触发器的次态方程，得到电路的次态方程组。态方程，得到电路的次态方程组。态方程，得到电路的次态方程组。态方程，得到电路的次态方程组。y1(n+1)D1 xy2(n+1)D2 x y2 y1第三步：第三步：第三步：第三步：根据次态方程组和输出函数表达式作出状态表和状态图。次态/输出(y2(n+1)y1(n+1)/Z)0 00 11 11 0现 态 y2 y1 x=0 x=100/010/000/000/001/001/001/001/1000110111/0 x/z0/00/00/01/01/10/01/0第四步第四步第四步第四步：作出时间图，并说明电路的逻辑功能。典型输入序列：x=01011101初态：y2 y1=00状态响应序列和输出响应序列为：CP:12345678 x:01011101 y2:00010001 y1:00101110y2(n+1):00100010 y1(n+1):01011101 Z:00010001CPxy2y1Z12346785时间图：时间图：时间图：时间图：功能说明：功能说明：该电路是一个101序列检测器。y1y0y2T0D1J2K2=11xZCP=1例：例：分析下面的同步时序逻辑电路。解：解：1列出鼓励函数与输出函数列出鼓励函数与输出函数 2写出电路的次态方程组。将鼓励函数表达式代入相应触发器的次态方程得：y2y1y0Zx=0 x=1000011110011001101010101001100110101010100000000001100110101010111111111011010013作出电路的状态表和状态图。01111000000/0001/1010/0011/0111/1110/0101/0100/100100111，该电路是一个3位串行输入的移位存放器。在时钟的作用下，x存放到该存放器的低位，存放器的内容从低位向高位左移一位，原来的最高位丢弃。输出Z完成了现态y2，y1，y0的连续异或运算，那么当1的个数为奇数时Z1，1的个数为偶数时Z0，完成了对当前的移位存放器内容进行奇偶校验的工作。n例例.分析以下图所示同步时序逻辑电路。分析以下图所示同步时序逻辑电路。“1”J0 Q0 CP0K0 Q0J1 Q1 CP1K1 Q1J2 Q2 CP2K2 Q2&CCP状状态态图图同步三位二进制加1计数器/ZQ2Q1Q0/0001000/0010/0011/0100/0101/0110/1111/0
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