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文檔簡介
1、第5章 基本邏輯電路設(shè)計 基本邏輯電路是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中最基本的模塊。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)計數(shù)字電路的能力。在本章中,將介紹組合邏輯電路、時序邏輯電路和有限狀態(tài)機(jī)電路的設(shè)計方法。5.1 組合邏輯電路設(shè)計 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 門電路種類較多,我們設(shè)計一
2、個二輸入與非門、一個二輸入或非門和計一個二輸入異或門,其電路的符號,如圖5.1所示。5.1.1 門電路設(shè)計 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 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。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 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 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 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,兩個數(shù)據(jù)端口均為雙向端口(INPUT),除了具有一個選通使能端EN外還有一個方向控制端DIR。其電路符號,如圖5.4所示。5.1.3 編碼器、譯碼器設(shè)計 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 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,它將輸入的某一個有效信
5、號轉(zhuǎn)化為3位二進(jìn)制碼,為了應(yīng)對同時出現(xiàn)多個輸入信號都有效的情況,確定每個輸入信號的等級,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 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 個信號中有且只有一個有效,每個輸入的二進(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個輸出信號中的一個有效,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 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 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 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 時序邏輯電路設(shè)計 時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。時序邏輯電路的重要特征就是它必須有
7、時鐘信號來驅(qū)動。VHDL語言提供了用于對時鐘邊沿檢測的函數(shù),為時序邏輯電路的設(shè)計帶來了極大的方便。5.2.1 觸發(fā)器設(shè)計 觸發(fā)器是構(gòu)成時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)計方法。電路符號,如圖5.9所示5.2.2 寄存器設(shè)計 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 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)器連接起來的時鐘輸入端口連接起來,由一個同步時鐘驅(qū)動,就構(gòu)成了一個8位寄存器。下面以8位寄存器為例,介紹寄存器的設(shè)計方法。5.2.2 寄存器設(shè)計 2鎖存器 鎖存器與寄存器很類似,區(qū)別在于,寄存器采用同步時鐘信號控制,而鎖存器采用電平信號控制。把8個D觸發(fā)器的時鐘輸入端口連接起來,并用一個電平信號進(jìn)行控制,就構(gòu)成了一個8位鎖存器。5.2.2 寄存器設(shè)計 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 計數(shù)器設(shè)計 計數(shù)器的邏輯功能就是用來記憶時鐘脈沖的個數(shù),是數(shù)字系統(tǒng)中使用廣泛的時序電路。它不僅用于對時鐘脈沖計數(shù),實(shí)現(xiàn)分頻、計時,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。計數(shù)器的最大計數(shù)值稱為計數(shù)器的模。5.2.3 計數(shù)器設(shè)計 1同步計數(shù)器 同步計數(shù)器指在時鐘脈沖(計數(shù)脈沖)的驅(qū)動下,構(gòu)成計數(shù)器的各觸發(fā)器狀態(tài)統(tǒng)一動作。按照計數(shù)過程中的數(shù)字增減分類,可以把計數(shù)器分為加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器。 加法計數(shù)器就是指在時鐘脈沖的作用下做遞增計數(shù)的計數(shù)器, 這里以最常
10、用的同步模12計數(shù)器為例,講述加法計數(shù)器的設(shè)計方法。5.2.3 計數(shù)器設(shè)計 2異步計數(shù)器 異步計數(shù)器又稱為行波計數(shù)器,將觸發(fā)器逐級串行連接起來,低位計數(shù)觸發(fā)器的輸出作為相鄰下一級計數(shù)觸發(fā)器的時鐘。可以看出,構(gòu)成異步計數(shù)器的觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有前有先后,不是同時發(fā)生的。異步計數(shù)器的計數(shù)延遲增加,計數(shù)器工作頻率較低。 用VHDL語言描述異步計數(shù)器,與同步計數(shù)器描述的區(qū)別主要體現(xiàn)在對各級時鐘的描述上。下面是一個由4個觸發(fā)器構(gòu)成的異步計數(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 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)計任務(wù)后,仔細(xì)研究所設(shè)計的數(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時序控制進(jìn)程P2 5輔助進(jìn)程5.4 設(shè)計實(shí)例:交通信號燈控制器設(shè)計 下面我們做一個實(shí)用且完整的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計。交通信號燈控制器的設(shè)計包含了組合邏輯、時序邏輯和有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計知識,具有較強(qiáng)的代表性。5.4.1 交通信號燈控制器設(shè)計要求 用戶設(shè)計一個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)有一個綠、黃、紅指示燈,兩個顯示數(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,支干道亮紅燈。而支干道允許通行亮綠燈時,主干道亮紅燈。 當(dāng)主、支道均有車時,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)行減計時顯示。 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,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)計思路,可以實(shí)現(xiàn)其功能。它具有四個狀態(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。四個狀態(tài)循環(huán)往復(fù)順序轉(zhuǎn)換。輸入信號為
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