第5章基本邏輯電路設(shè)計(jì)

1、第5章 基本邏輯電路設(shè)計(jì) 基本邏輯電路是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最基本的模塊。為了使讀者深入理解使用VHDL語言描述數(shù)字電路的方法，本章以基本邏輯電路的設(shè)計(jì)為例，通過有針對性的具體電路，幫助讀者完善VHDL的基礎(chǔ)知識，從而提高描述和設(shè)計(jì)數(shù)字電路的能力。在本章中，將介紹組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路和有限狀態(tài)機(jī)電路的設(shè)計(jì)方法。5.1 組合邏輯電路設(shè)計(jì) 組合邏輯電路是一種不含存儲元件的電路，其輸出完全由輸入決定。如果使用進(jìn)程的話，輸入信號都是進(jìn)程的敏感信號。本節(jié)介紹的組合邏輯電路包括門電路、三態(tài)門電路、總線緩沖器、編碼器、譯碼器、多路數(shù)據(jù)選擇器和多路數(shù)據(jù)分配器。5.1.1 門電路設(shè)計(jì) 門電路種類較多，我們設(shè)計(jì)一

2、個(gè)二輸入與非門、一個(gè)二輸入或非門和計(jì)一個(gè)二輸入異或門，其電路的符號，如圖5.1所示。5.1.1 門電路設(shè)計(jì) 1使用邏輯運(yùn)算符的描述方法 LIBRARY IEEE; /庫調(diào)用 USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY GATE IS /實(shí)體部分，用于電路外部接口描述 PORT (A,B:IN STD_LOGIC; /定義外部輸入端口 Ynand,Yor,Yxor:OUT STD_LOGIC); /定義外部輸出端口 END GATE; ARCHITECTURE one OF GATE IS /結(jié)構(gòu)體部分，用于電路功能描述 BEGIN Ynand =A NAND B;

3、/與門輸出 Ynor =A NOR B; /或門輸出 Yxor =A XOR B; /異或門輸出 END one; 5.1.1 門電路設(shè)計(jì) 2使用真值表的描述方法 真值表反映了組合邏輯電路中輸出和輸入的邏輯關(guān)系，因此可以用真值表來實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路的設(shè)計(jì)。上述三種門電路真值表，如表5.1所示。輸入輸出ABYnandYnorYxor001100110110101110005.1.2 三態(tài)門及總線緩沖器設(shè)計(jì) 三態(tài)門是驅(qū)動電路常用到的器件，其輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)高阻態(tài)。其電路符號，如圖5.2所示。5.1.2 三態(tài)門及總線緩沖器設(shè)計(jì) 18位單向總線緩沖器 在微機(jī)的總線驅(qū)動中經(jīng)常用

4、到單向總線緩沖器，用于驅(qū)動地址總線和控制總線。其電路符號，如圖5.3所示。5.1.2 三態(tài)門及總線緩沖器設(shè)計(jì) 2雙向總線緩沖器 雙向總線緩沖器用于數(shù)據(jù)總線的驅(qū)動和緩沖，兩個(gè)數(shù)據(jù)端口均為雙向端口（INPUT），除了具有一個(gè)選通使能端EN外還有一個(gè)方向控制端DIR。其電路符號，如圖5.4所示。5.1.3 編碼器、譯碼器設(shè)計(jì) 在數(shù)字電路中，需要建立起特定的信息與二進(jìn)制碼間的聯(lián)系。輸入為特定信息，輸出為相應(yīng)的二進(jìn)制碼，這就是編碼器。輸入為二進(jìn)制碼，輸出為對應(yīng)的特定信息，這就是譯碼器。5.1.3 編碼器、譯碼器設(shè)計(jì) 18線-3線優(yōu)先編碼器 8線-3線優(yōu)先編碼器是最常見的一種編碼器，它將輸入的某一個(gè)有效信

5、號轉(zhuǎn)化為3位二進(jìn)制碼，為了應(yīng)對同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)輸入信號都有效的情況，確定每個(gè)輸入信號的等級，進(jìn)行優(yōu)先編碼。電路符號如圖5.5所示。5.1.3 編碼器、譯碼器設(shè)計(jì) 23線-8線譯碼器 譯碼是編碼的逆過程，輸入為N位二進(jìn)制碼，輸出的 個(gè)信號中有且只有一個(gè)有效，每個(gè)輸入的二進(jìn)制碼與輸出信號是一一對應(yīng)的關(guān)系。3線-8線譯碼器輸入3位二進(jìn)制碼，確定8個(gè)輸出信號中的一個(gè)有效，其電路符號，如圖5.6所示。5.1.4 多路數(shù)據(jù)選擇器和多路數(shù)據(jù)分配器設(shè)計(jì) 多路數(shù)據(jù)選擇器和多路數(shù)據(jù)分配器都屬于通道選擇電路，多路數(shù)據(jù)選擇器是把從多個(gè)輸入支路中的一路作為輸出;多路數(shù)據(jù)分配器則是把一路輸入分配到多路輸出中的一路中。路徑的選

6、擇都由數(shù)據(jù)選擇控制端決定。5.1.4 多路數(shù)據(jù)選擇器和多路數(shù)據(jù)分配器設(shè)計(jì) 14選1數(shù)據(jù)選擇器 4選1數(shù)據(jù)選擇器是多路數(shù)據(jù)選擇器中最常見的一種。有四路輸入，一路輸出，輸出信號從四路輸入中選取一路。電路符號，如圖5.7所示。5.1.4 多路數(shù)據(jù)選擇器和多路數(shù)據(jù)分配器設(shè)計(jì) 21對4數(shù)據(jù)分配器 4對1數(shù)據(jù)分配器是4選1數(shù)據(jù)選擇器的逆過程。有一路輸入，四路輸出，輸入信號從四路輸出中選取一路通過。電路符號，如圖5.8所示。 5.2 時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì) 時(shí)序邏輯電路是含有存儲器件（觸發(fā)器）的電路，它由組合邏輯電路和存儲器件組成。它的輸出不僅由輸入信號決定，還由所處的狀態(tài)決定。時(shí)序邏輯電路的重要特征就是它必須有

7、時(shí)鐘信號來驅(qū)動。VHDL語言提供了用于對時(shí)鐘邊沿檢測的函數(shù)，為時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。5.2.1 觸發(fā)器設(shè)計(jì) 觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基本元件。按照有無復(fù)位、置位功能以及復(fù)位、置位與時(shí)鐘信號是否同步，可以分為多種常見的D觸發(fā)器。這里以最常用的同步復(fù)位D觸發(fā)器為例，講述觸發(fā)器電路的設(shè)計(jì)方法。電路符號，如圖5.9所示5.2.2 寄存器設(shè)計(jì) 寄存器是由一組觸發(fā)器連接而成，用于存儲一組二進(jìn)制信息，廣泛用于各類數(shù)字系統(tǒng)。寄存器分為普通寄存器和特殊功能普通寄存器，特殊功能寄存器又包括：鎖存器、移位寄存器、串入串出寄存器、串入并出寄存器、并入串出寄存器。5.2.2 寄存器設(shè)計(jì) 1普通寄存器 一

8、般用D觸發(fā)器構(gòu)成寄存器。把一組D觸發(fā)器連接起來的時(shí)鐘輸入端口連接起來，由一個(gè)同步時(shí)鐘驅(qū)動，就構(gòu)成了一個(gè)8位寄存器。下面以8位寄存器為例，介紹寄存器的設(shè)計(jì)方法。5.2.2 寄存器設(shè)計(jì) 2鎖存器 鎖存器與寄存器很類似，區(qū)別在于，寄存器采用同步時(shí)鐘信號控制，而鎖存器采用電平信號控制。把8個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端口連接起來，并用一個(gè)電平信號進(jìn)行控制，就構(gòu)成了一個(gè)8位鎖存器。5.2.2 寄存器設(shè)計(jì) 3移位寄存器 移位寄存器除了具有存儲代碼的功能以外，還具有移位功能。所謂移位功能，是指寄存器里存儲的代碼能在移位脈沖的作用下依次左移或右移。因此，移位寄存器不但可以用來寄存代碼，還可用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換、數(shù)值

9、的運(yùn)算以及數(shù)據(jù)處理等。 下面給出一個(gè)8位的移位寄存器，其具有左移一位或右移一位、并行輸入和同步復(fù)位的功能。5.2.3 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì) 計(jì)數(shù)器的邏輯功能就是用來記憶時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，是數(shù)字系統(tǒng)中使用廣泛的時(shí)序電路。它不僅用于對時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)分頻、計(jì)時(shí)，還可以用于產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。計(jì)數(shù)器的最大計(jì)數(shù)值稱為計(jì)數(shù)器的模。5.2.3 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì) 1同步計(jì)數(shù)器 同步計(jì)數(shù)器指在時(shí)鐘脈沖（計(jì)數(shù)脈沖）的驅(qū)動下，構(gòu)成計(jì)數(shù)器的各觸發(fā)器狀態(tài)統(tǒng)一動作。按照計(jì)數(shù)過程中的數(shù)字增減分類,可以把計(jì)數(shù)器分為加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器。 加法計(jì)數(shù)器就是指在時(shí)鐘脈沖的作用下做遞增計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器, 這里以最常

10、用的同步模12計(jì)數(shù)器為例，講述加法計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法。5.2.3 計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì) 2異步計(jì)數(shù)器 異步計(jì)數(shù)器又稱為行波計(jì)數(shù)器，將觸發(fā)器逐級串行連接起來，低位計(jì)數(shù)觸發(fā)器的輸出作為相鄰下一級計(jì)數(shù)觸發(fā)器的時(shí)鐘?？梢钥闯?構(gòu)成異步計(jì)數(shù)器的觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有前有先后,不是同時(shí)發(fā)生的。異步計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)延遲增加，計(jì)數(shù)器工作頻率較低。 用VHDL語言描述異步計(jì)數(shù)器，與同步計(jì)數(shù)器描述的區(qū)別主要體現(xiàn)在對各級時(shí)鐘的描述上。下面是一個(gè)由4個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成的異步計(jì)數(shù)器，采用元件例化的方式生成。5.3 有限狀態(tài)機(jī)電路設(shè)計(jì) 在數(shù)字電路系統(tǒng)中，有限狀態(tài)機(jī)是一種十分重要的時(shí)序邏輯電路。狀態(tài)機(jī)的工作方式是根據(jù)按照預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)順序依次運(yùn)行的，是

11、純硬件的順序控制電路。5.3.1 有限狀態(tài)機(jī)概述 有限狀態(tài)機(jī)是指輸出取決于輸入信號和當(dāng)前所處狀態(tài)的時(shí)序邏輯電路。有限狀態(tài)機(jī)含有一組具有記憶功能的寄存器，稱為狀態(tài)寄存器，這些寄存器的功能是記憶有限狀態(tài)機(jī)的內(nèi)部狀態(tài)，狀態(tài)寄存器的的下一個(gè)狀態(tài)不僅與輸入信號有關(guān)，而且還與該寄存器的當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)。5.3.2 有限狀態(tài)機(jī)的算法描述 當(dāng)接到設(shè)計(jì)任務(wù)后，仔細(xì)研究所設(shè)計(jì)的數(shù)字控制系統(tǒng)的功能，如果該系統(tǒng)具有按一定順序產(chǎn)生不同輸出的特征，那么就可以用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)。5.3.3 有限狀態(tài)機(jī)的VHDL描述模式 使用VHDL語言的描述有限狀態(tài)機(jī)，基本上有固定描述方式，我們依葫蘆畫瓢，將狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表的內(nèi)容填入

12、模板，就可以設(shè)計(jì)出程序。模板代碼如下所示： 1實(shí)體部分 2說明部分 3狀態(tài)轉(zhuǎn)換進(jìn)程P1 4時(shí)序控制進(jìn)程P2 5輔助進(jìn)程5.4 設(shè)計(jì)實(shí)例：交通信號燈控制器設(shè)計(jì) 下面我們做一個(gè)實(shí)用且完整的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。交通信號燈控制器的設(shè)計(jì)包含了組合邏輯、時(shí)序邏輯和有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)知識，具有較強(qiáng)的代表性。5.4.1 交通信號燈控制器設(shè)計(jì)要求 用戶設(shè)計(jì)一個(gè)由一條主干道和一條支干道的匯合點(diǎn)形成的十字交叉路口的交通燈控制器，具體要求如下： 主、支干道各設(shè)有一個(gè)綠、黃、紅指示燈，兩個(gè)顯示數(shù)碼管。 主干道處于常允許通行狀態(tài)，而支干道有車來才允許通行。當(dāng)主干道允許通行亮綠燈時(shí)，支干道亮紅燈。而支干道允許通行亮綠燈時(shí)，主干道亮紅燈。 當(dāng)主、支道均有車時(shí)，兩者交替允許通行，主干道每次放行45 s，支干道每次放行25 s，在每次由亮綠燈變成亮紅燈的轉(zhuǎn)換過程中，要亮5 s的黃燈作為過渡，并進(jìn)行減計(jì)時(shí)顯示。 主、支道均有監(jiān)測是否有車輛等待的傳感器，當(dāng)該方向沒有車輛時(shí)，可以提前放行另一方向。5.4.2 交通信號燈控制器的設(shè)計(jì)分析 經(jīng)過對交通燈控制器的要求進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)采用有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)思路，可以實(shí)現(xiàn)其功能。它具有四個(gè)狀態(tài)：主、支干道通行狀態(tài)S0，主干道通行向支干道通行過渡的狀態(tài)S1，支干道通行狀態(tài)S2，支干道通行向主干道通行過渡的狀態(tài)S3。四個(gè)狀態(tài)循環(huán)往復(fù)順序轉(zhuǎn)換。輸入信號為