数电课件 ch065若干典型的时序逻辑集成电路

单击此处编辑母版标题样式abcd,单击此处编辑母版文本样式abvd,第二级,第三级,第四级,第五级,*,异步时序逻辑电路分析应该注意什么？,1,6.5 若干典型的时序逻辑集成电路,6.5.1 寄存器和移位寄存器,6.5.2 计数器,2,6.5 若干典型的时序逻辑集成电路,1、 寄存器,6.5.1 寄存器和移位寄存器,寄存器:是数字系统中用来存储代码或数据的逻辑部件。它的主要组成部分是触发器。,一个触发器能存储1位二进制代码，存储,n,位二进制代码的寄存器需要用,n,个触发器组成。寄存器实际上是若干触发器的集合。,3,8位CMOS寄存器74HC374,脉冲边沿敏感的寄存器,4,8位CMOS寄存器74HC/HCT374,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,5,8位CMOS寄存器74LV374,高阻,H,H,H,高阻,L,L,H,存入数据，禁止输出,H,H,L,对应内部触发器的状态,L,L,L,存入和读出数据,Q,0,Q,7,D,N,CP,输出,内部触发器,输 入,工作模式,6,2,、 移位寄存器,移位寄存器是既能寄存数码，又能在时钟脉冲的作用下使数码向高位或向低位移动的逻辑功能部件。,按移动方式分,单向移位寄存器,双向移位寄存器,左移位寄存器,移位寄存器的逻辑功能分类,移位寄存器的逻辑功能,右移位寄存器,7,(1) 基本移位寄存器,（a）电路,串行数据输入端,串行数据输出端,并行数据输出端,8,D,3,=,Q,n,2,D,1,=,Q,0,n,D,0,=,D,SI,Q,0,n+1,=,D,SI,Q,1,n+1,=,D,1,=,Q,0,n,Q,2,n+1,=,D,2,=,Q,n,1,Q,3,n+1,=,D,3,=,Q,n,2,2、写出激励方程：,3、写出状态方程：,(b). 工作原理,D,2,=,Q,n,1,D,0,D,2,D,1,D,3,9,1 0,1 1,0 1,1 0,1 1,0 0,0,0 0,0 0,0 0,FF,0,FF,1,FF,2,FF,3,1CP 后,2CP 后,3CP 后,4CP 后,1,1,0,1,1,Q,0,n+1,=D,SI,Q,1,n+1,=,Q,0,n,Q,2,n+1,=,Q,n,1,Q,3,n+1,=,Q,n,2,1011,10,D,SI,=11010000,从高位开始输入,经过4个CP脉冲作用后，从,D,S,端串行输入的数码就可以从,Q,0,Q,1,Q,2,Q,3,并行,输出。 串入,并出,经过7个CP脉冲作用后，从,D,S,I,端串行输入的数码就可以从,D,O,端串行输出。,串入,串出,11,（2）典型集成电路,内部逻辑图,8位移位寄存器,74HC/HCT164,12,2. 多功能双向移位寄存器,多功能移位寄存器工作模式简图,（1）工作原理,高位移向低位-左移,低位移向高位-右移,13,实现多种功能双向移位寄存器的一种方案(仅以,FF,m,为例),S,1,S,0,=00,S,1,S,0,=01,高位移,向低位,S,1,S,0,=10,S,1,S,0,=11,并入,不变,低位移,向高位,14,（2）典型集成电路,CMOS 4位双向移位寄存器74HC/HCT194,15,74HCT194 的功能表,7,D,3,D,2,D,1,D,0,DI,3,*,DI,2,*,DI,1,*,DI,0,*,H,H,H,6,H,H,L,H,H,5,L,L,L,H,H,4,H,H,H,L,H,3,L,L,H,L,H,2,L,L,H,1,L,L,L,L,L,DI,3,DI,2,DI,1,DI,0,左移,D,SL,右移,D,SR,S,0,S,1,行,并行输入,时钟,CP,串行输入,控制信号,清零,输 出,输 入,16,2、,计数器的分类,按,脉冲输入,方式，分为同步和异步计数器,按进位体制，分为二进制、十进制和任意进制计数器,按逻辑功能，分为加法、减法和可逆计数器,概 述,1、,计数器的逻辑功能,计数器的基本功能是对输入时钟脉冲进行计数。它也可用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列及进行数字运算等等。,6.5.2,计 数 器,17,同步计数器,异步计数器,加计数器,减计数器,可逆计数器,二进制计数器,非二进制计数器,十进制计数器,任意进制计数器,加计数器,减计数器,可逆计数器,二进制计数器,非二进制计数器,十进制计数器,任意进制计数器,18,(1) 异步二进制计数器-4位异步二进制加法计数器,工作原理,1、 二进制计数器,Q3,Q2,Q1,Q0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,1,1,0,1,0,0,19,结论:,计数器的功能：不仅可以计数也可作为分频器,。,20,如考虑每个触发器都有1,t,pd,的延时，电路会出现什么问题？,异步计数脉冲的最小周期,T,min,=,n,t,pd,。（,n,为位数）,21,典型集成电路,中规模集成电路74HC/HCT393中集成了两个4位异步二进制计数器在 5V、25工作条件下，74HC/HCT393中每级触发器的传输延迟时间典型值为6ns。,74HC/HCT393的逻辑符号,22,Q,0,在每个CP都翻转一次,Q,1,仅在Q,0,=1后的下一个CP到来时翻转,FF,0,可采用T=1的T触发器,FF,1,可采用T=,Q,0,的T触发器,Q,3,仅在Q,0,=Q,1,=Q,2,=1后的下一个CP到来时翻转,FF,2,可采用T=,Q,0,Q,1,T的触发器,Q,2,仅在Q,0,=Q,1,=1后的下一个CP到来时翻转,FF,3,可采用T=,Q,0,Q,1,Q,2,T的触发器,4位二进制计数器状态表,0,0,0,0,0,16,1,1,1,1,1,15,0,0,1,1,1,14,0,1,0,1,1,13,0,0,0,1,1,12,0,1,1,0,1,11,0,0,1,0,1,10,0,1,0,0,1,9,0,0,0,0,1,8,0,1,1,1,0,7,0,0,1,1,0,6,0,1,0,1,0,5,0,0,0,1,0,4,0,1,1,0,0,3,0,0,1,0,0,2,0,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,Q,0,Q,1,Q,2,Q,3,进位输出,电路状态,计数顺序,(2)二进制同步加计数器,23,复习,1、寄存器的功能，由什么组成，典型集成电路定型产品？,2、移位寄存器的功能，分类，典型集成电路芯片？,3、异步二进制计数器工作特性，优缺点，典型芯片？同步二进制计数器工作特性？,24,4,位二进制同步加计数器逻辑图,CE=,0,保持不变,CE=,1,计数,25,4,位二进制同步加计数器时序图,26,(2)典型 集成计数器74LVC161,2选1,数据选择器,CP,PE,D,N,T,SU,T,SU,T,H,T,H,T,SU,T,SU,T,H,CP,CEP.CET,同步置数,异步清零,27,74LVC161逻辑功能表,输 入,输 出,清零,预置,使能,时钟,预置数据输入,计 数,进位,CEP,CET,CP,D,3,D,2,D,1,D,0,Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,TC,L,L,L,L,L,L,H,L,D,3,D,2,D,1,D,0,D,3,D,2,D,1,D,0,*,H,H,L,保,持,*,H,H,L,保,持,*,H,H,H,H,计,数,*,28,(2)时序图,TC,=,CETQ,3,Q,2,Q,1,Q,0,29,例6.5.1 试用74LVC161构成模2,16,的同步二进制计数器。,30,1）. 异步二-十进制计数器,将图中电路按以下两种方式连接：,试分析它们的逻辑输出状态。,接计数脉冲信号，将,Q,0,与,相连；,（1）,接计数脉冲信号，将,Q,3,与,相连,（2）,2、 非二进制计数器,31,两种连接方式的状态表,计数顺序,连接方式1（8421码）,连接方式2（5421码）,Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,Q,0,Q,3,Q,2,Q,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,2,0,0,1,0,0,0,1,0,3,0,0,1,1,0,0,1,1,4,0,1,0,0,0,1,0,0,5,0,1,0,1,1,0,0,0,6,0,1,1,0,1,0,0,1,7,0,1,1,1,1,0,1,0,8,1,0,0,0,1,0,1,1,9,1,0,0,1,1,1,0,0,32,2）. 用集成计数器构成任意进制计数器,例 用74LVC161构成九进制加计数器。,解：九进制计数器应有9个状态，而74 LVC 161在计数过程中,有16个状态。如果设法跳过多余的7个状态，则可实现模9计数器。,(1) 反馈清零法,33,(2) 反馈置数法,34,（1）工作原理,置初态,Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,=0001，, 基本环形计数器,状态图,3）. 环形计数器,第一个,CP:Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,=0010,，,第二个,CP:Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,=0100,，,第三个,CP:Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,=1000,，,第四个,CP:Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,=0001,，,第五个,CP:Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,=0010,，,35,a、电路, 扭环形计数器,b、状态表,状态编号,Q,4,Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,2,0,0,0,1,1,3,0,0,1,1,1,4,0,1,1,1,1,5,1,1,1,1,1,6,1,1,1,1,0,7,1,1,1,0,0,8,1,1,0,0,0,9,1,0,0,0,0,c、状态图,置初态Q,4,Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,=00000，,36,状态编号,Q,4,Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,2,0,0,0,1,1,3,0,0,1,1,1,4,0,1,1,1,1,5,1,1,1,1,1,6,1,1,1,1,0,7,1,1,1,0,0,8,1,1,0,0,0,9,1,0,0,0,0,译码电路简单,且不会出现竞争冒险,37,时序逻辑电路一般由,组合电路和存储电路,两部分构成。它们在任一时刻的输出不仅是当前输入信号的函数，而且还与电路原来的状态有关。时序电路可分为,同步和异步,两大类。,逻辑方程组、状态表、状态图和时序图从不同方面表达了时序电路的逻辑功能，是分析和设计时序电路的主要依据和手段。,时序电路的分析,，首先按照给定电路列出各逻辑方程组、进而列出状态表、画出状态图和时序图，最后分析得到电路的逻辑功能。,时序电路的设计,，首先根据逻辑功能的需求，导出原始状态图或原始状态表，有必要时需进行状态化简，继而对状态进行编码，然后根据状态表导出激励方程组和输出方程组，最后画出逻辑图完成设计任务。,。,小 结,38,本章第二次作业,6.5.19,6.5.16,6.5.13,39,6.7,时序可编程通用阵列逻辑器件(,GAL),2、输出结构类型太多，给设计和使用带来不便。,2、输出端设置了可编程的输出逻辑宏单元（OLMC）通过编程可将OLMC设置成不同的工作状态，即一片GAL便可实现PAL 的5种输出工作模式。器件的通用性强；,GAL的优点：,1、由于采用的是双极型熔丝工艺，一旦编程后不能修改；,PAL的不足：,1、采用电可擦除的E,2,CMOS工艺可以多次编程；,3、GAL工作速度快，功耗小,40,6.7.1 时序可编程逻辑器件中的宏单元,41,1. 通用阵列逻辑（GAL）,在PLA和PAL基础上发展起来的增强型器件.电路设计者可根据需要编程，对宏单元的内部电路进行不同模式的组合，从而使输出功能具有一定的灵活性和通用性。,6.7.2 时序可编程逻辑器件的主要类型,2. 复杂可编程逻辑器件（CPLD）,集成了多个逻辑单元块，每个逻辑块就相当于一个GAL器件。这些逻辑块可以通过共享可编程开关阵列组成的互连资源，实现它们之间的信息交换，也可以与周围的I/O模块相连，实现与芯片外部交换信息。,42,3. 现场可编程门阵列（FPGA）,芯片内部主要由许多不同功能的可编程逻辑模块组成，靠纵横交错的分布式可编程互联线连接起来，可构成极其复杂的逻辑电路。它更适合于实现多级逻辑功能，并且具有更高的集成密度和应用灵活性在软件上，亦有相应的操作系统配套。这样，可使整个数字系统（包括软、硬件系统）都在单个芯片上运行，即所谓的SOC技术。,43,可编程与阵列（32X64位）,2、GAL举例GAL16V8的电路结构图,8个输入,缓冲器,29,8个反馈/输入缓冲器,8个三态,输出缓冲,器1219,8个输出逻辑宏单元OLMC,输出使能缓冲器,44,GAL的电路结构与PAL类似，由可编程的与逻辑阵列、,固定的或逻辑阵列和输出电路组成，但GAL的输出端增设了,可编程的的输出逻辑宏单元（OLMC）。通过编程可将,OLMC设置为不同的工作状态，可实现PAL的所有输出结构，产生组合、时序逻辑电路输出。,45,数据选择器,46,乘积项数据选择器(2选1),输出数据选择器(2选1),三态数据选择器(4选1),反馈数据选择器(4选1),4个数据选择器：用不同的控制字实现不同的输出电路结构形式,47,乘积项数据选择器：,根据AC0和AC1(n)决定与逻辑阵列的第一乘积项是否作为或门的一个输入端。只有在G,1,的输出为1时，第一乘积项是或门的一个输入端。,乘积项数据选择器(,2选1),48,OMUX：根据AC0和AC1(n)决定OLMC是组合输出还是寄存器输出模式,输出数据选择器(2选1)OMUX,49,三态数据选择器(4选1),三态数据选择器受AC0和AC1(n)的控制，用于选择输出三态缓冲器的选通信号。可分别选择V,CC,、地、OE和第一乘积项。,工作,AC0 AC1(,n,),TX（输出）,0 1,地电平,0 0,V,CC,1 0,OE,1 1,第一乘积项,工作,高阻,OE=1，工作,OE=0，高阻,1，工作,0，高阻,三态缓冲器,的工作状态,50,FMUX：,根据AC0和AC1(n)的不同编码，使反向传输的电信号也对应不同,。,反馈数据选择器(4选1)OMUX,51,功 能,组合,SYN,AC0,AC1(n),XOR(n),输出相位,备 注,专用输入,1,0,1,1，11脚为数据输入端，输出三态门禁止,专用组合输出,1,0,0,0,1,反相,同相,1，11脚为数据输入端，组合输出，三态门选通,反馈组合输出,1,1,1,0,1,反相,同相,同上，三态门由第一乘积项选通，反馈取自I/O口,时序电路中的组合输出,0,1,1,0,1,反相,同相,1脚接CP，11脚接OE，该宏单元为组合输出，但至少有一个宏单元为寄存器输出,寄存器输出,0,1,0,0,1,反相,同相,1脚接CP，11接OE,52,5. GAL的编程与开发,软件工具,硬件工具,53,