數(shù)字設計原理與實踐：第七章 SEQUENTIAL LOGIC DESIGN PRINCIPLE-part 3

1Chapter7SequentialLogicDesignPrinciples

(時序邏輯設計原理)

LatchesandFlip-Flops(鎖存器和觸發(fā)器)

ClockedSynchronousState-MachineAnalysis

(同步時序分析)

ClockedSynchronousState-MachineDesign

(同步時序設計)

2SequentialLogicCircuitStructure

(時序邏輯電路結構)下一狀態(tài)邏輯F狀態(tài)存儲器

時鐘

OutputLogic(輸出邏輯)GInputs(輸入)Outputs輸出ClockSignal(時鐘信號)

Exci-tation(激勵)CurrentState(當前狀態(tài))下一狀態(tài)：F（當前狀態(tài)，輸入）輸出：G（當前狀態(tài)，輸入）組合電路狀態(tài)存儲器：由激勵信號得到下一狀態(tài)激勵方程驅動方程輸出方程轉移方程——狀態(tài)機結構

3同步時序電路異步時序電路——時鐘同步狀態(tài)機存儲元件狀態(tài)的變化是在同一時鐘信號操作下同時發(fā)生的存儲元件狀態(tài)的變化不是同時發(fā)生的

Mealy型Moore型輸出信號取決于存儲電路狀態(tài)和輸入信號輸出信號僅取決于存儲電路狀態(tài)SequentialLogicCircuit(時序邏輯電路)按時鐘來源分為按輸出分為

4摩爾與彌勒時序電路輸入組合邏輯電路

狀態(tài)存儲電路(觸發(fā)器)CP輸出組合邏輯X輸入W驅動/激勵Q狀態(tài)Z輸出CP輸入組合邏輯電路

狀態(tài)存儲電路(觸發(fā)器)CP輸出組合邏輯W驅動/激勵Q狀態(tài)Z輸出X輸入CPMoore機：輸出只與狀態(tài)有關Mealy機：輸出取決于狀態(tài)和輸入

57.3ClockedSynchronousStateMachineAnalysis(時鐘同步狀態(tài)機分析)基本步驟：根據(jù)時鐘來源，判斷是同步還是異步時序邏輯電路寫出各觸發(fā)器的驅動方程(激勵方程)，時鐘方程寫出電路的輸出方程將驅動方程代入到觸發(fā)器的特性方程中，得到各觸發(fā)器的狀態(tài)方程(轉移方程)根據(jù)狀態(tài)方程和輸出方程，求電路狀態(tài)轉換表。進而可求得狀態(tài)轉換圖(狀態(tài)機)和時序波形圖檢查電路是否可自啟動，判斷電路邏輯功能

6時序電路??時鐘方程輸出方程驅動方程狀態(tài)方程特性方程狀態(tài)圖狀態(tài)表?時序圖自啟動檢查功能說明?

7概念狀態(tài)數(shù)：n個觸發(fā)器構成的時序電路有2n個狀態(tài)有效狀態(tài)：被使用的有意義的狀態(tài)有效狀態(tài)應該構成閉環(huán)，但閉環(huán)中的狀態(tài)不一定都是有效狀態(tài)無效狀態(tài)：不被使用的狀態(tài)不在有效循環(huán)中的狀態(tài)自啟動：在有限個時鐘周期內，任何無效狀態(tài)都能回到有效循環(huán)的有效狀態(tài)中的時序電路不能自啟動：至少有一個狀態(tài)不可能回到有效循環(huán)中

8ENEN’Q0Q0’Q1Q1’ENMAXQ0Q1CLKD0D1當前狀態(tài)激勵輸出輸入時鐘信號下一狀態(tài)邏輯產生激勵信號狀態(tài)存儲器輸出邏輯Example:ClockedSynchronousStateMachineAnalysis(DFlip-Flop)

9ENEN’Q0Q0’Q1Q1’ENMAXQ0Q1CLKD0D1

1、由電路得到激勵方程D0=Q0·EN’+Q0’·END1=Q1·EN’+Q1’·Q0·EN+Q1·Q0’·EN2、由電路得到輸出方程MAX=Q1·Q0·EN

3、由激勵方程和觸發(fā)器特征方程得到轉移方程（狀態(tài)方程）D觸發(fā)器特征方程：Q*=D，CLKQ0*=Q0·EN’+Q0’·EN，CLKQ1*=Q1·EN’+Q1’·Q0·EN+Q1·Q0’·EN，CLK分析過程

10001101100101101000000001狀態(tài)轉換表ENQ1Q0Q1*Q0*MAX0

000

010

100

111

001

011

101

11Q0*=Q0·EN’+Q0’·EN，CLKQ1*=Q1·EN’+Q1’·Q0·EN+Q1·Q0’·EN，CLKMAX=Q1·Q0·ENS00011011EN0100,001,010,011,001,010,011,000,1Q1*Q0*,MAXQ1Q04、由轉移方程和輸出方程得到狀態(tài)/輸出表

1100EN=0MAX=001EN=1MAX=0EN=1MAX=1EN=0MAX=0EN=0MAX=0EN=0MAX=011EN=1MAX=010EN=1MAX=0邏輯功能描述：具有使能端EN的2位二進制加法計數(shù)器電路輸出與輸入有關——

Mealy機S00011011EN0100,001,010,011,001,010,011,000,1Q1*Q0*,MAXQ1Q05、StateDiagram（畫狀態(tài)圖）

12Q0*=Q0·EN’+Q0’·ENQ1*=Q1·EN’+Q1’·Q0·EN+Q1·Q0’·ENMAX=Q1·Q0·EN6、TimingDiagram（畫時序圖）

13transition

table轉換表

statetable狀態(tài)表state/output

table狀態(tài)/輸出表Specification(說明)可以給每個狀態(tài)命名通常用S表示當前狀態(tài)，S*表示下一狀態(tài)

14ENEN’Q0Q0’Q1Q1’ENMAXQ0Q1CLKD0D1Mealy機Moore機MAXSMAXS=Q1·Q0

15對應的Moore機的狀態(tài)表和狀態(tài)圖

16TimingDiagramforaStateMachine

（狀態(tài)機的時序圖）

17具有使能端EN的2位二進制加法計數(shù)器Moore機Mealy機S*/MAX或

S*,MAX狀態(tài)轉換表的比較

18Moore機Mealy機MAXMAXS時序圖的比較

19Y=X·Q2·

Q1

J1=(X’·Q2’)’K1=(X·Q2’)’

J2=X’·Q1K2=(X’·

Q1’)’1、由電路得到激勵方程2、由電路得到輸出方程CPXYJQCLKKQ&&&&JQCLKKQ&&FF1FF2=X+Q2Example:ClockedSynchronousStateMachineAnalysis(J_KFlip-Flop)

時鐘同步狀態(tài)機的分析

203、得到狀態(tài)轉換方程J-K觸發(fā)器特征方程為：Q*=J·Q’+K’·Q，CPQ1*

=J1·

Q1’+K1’·

Q1=(X+Q2)·

Q1’+

X·Q2’·

Q1=Q2·Q1’+X·Q1’+X·Q2’·Q1,CP

=X’·

Q1·

Q2’+X’·

Q1’·

Q2

,CPQ2*

=J2·

Q2’+K2’·

Q2Y=X·Q2·

Q1

J1=(X’·Q2’)’K1=(X·Q2’)’

J2=X’·Q1K2=(X’·

Q1’)’1、由電路得到激勵方程2、由電路得到輸出方程=X+Q2

214、由狀態(tài)方程和輸出方程列狀態(tài)轉換表Q1*

=Q2·Q1’+X·Q1’+X·Q2’·Q1Q2*

=X’·

Q1·

Q2’+X’·

Q1’·

Q2Y=X·Q2·

Q1001011100110000000000001狀態(tài)轉換表XQ2Q1Q2*Q1*Y0

000

010

100

111

001

011

101

11S00011011X0100,010,011,000,001,001,001,000,1Q2*Q1*,YQ2Q1X’·

Q2’·Q1+X’·Q2·Q1’

22001/00/05、畫狀態(tài)圖S00011011X0100,010,011,000,001,001,001,000,1Q2*Q1*,YQ2Q1011/01/0100/0110/00/01/1X/Y狀態(tài)00：開始判斷狀態(tài)01：輸入一個1狀態(tài)10：連續(xù)輸入10狀態(tài)11：連續(xù)輸入100邏輯功能：1001序列檢測器輸入端連續(xù)輸入1001時，輸出1X:0100100111001100100…Y:0000100000001000100…

23練習：同步時鐘狀態(tài)機分析11、2、

241Y=Q2·

Q3練習1

J1=(Q2·

Q3)’K1=1

J2=Q1K2=(Q1’·

Q3’)’

J3=Q1·

Q2K3=Q21、由電路得到激勵方程2、由電路得到輸出方程

25Y=Q2·

Q3

J1=(Q2·

Q3)’K1=1

J2=Q1K2=(Q1’·

Q3’)’

J3=Q1·

Q2K3=Q21、由電路得到激勵方程2、由電路得到輸出方程3、得到狀態(tài)轉換方程J-K觸發(fā)器特征方程為：Q*=J·Q’+K’·QQ1*

=J1·

Q1’+K1’·

Q1Q2*

=J2·

Q2’+K2’·

Q2Q3*

=J3·

Q3’+K3’·

Q3=(Q2·

Q3)’·

Q1’

=Q1·

Q2’+Q1’·

Q3’·

Q2=Q1·

Q2·

Q3’+

Q2’·

Q3

2600011100000000114、列狀態(tài)轉換表Q1*

=(Q2·

Q3)’·

Q1’

Q2*

=Q1·

Q2’+Q1’·

Q3’·

Q2Q3*

=Q1·

Q2·

Q3’+

Q2’·

Q3Y=Q2·

Q3Q1*

=Q3’·

Q1’+Q2’·

Q1’

Q2*

=Q2’·Q1+Q3’·

Q2·Q1’

Q3*

=Q3’

·

Q2·

Q1+

Q3·

Q2’Y=Q3·

Q2000001010011100101110111Y0110010010101000

270001110000000011000001010011100101110111Y01100100101010004、列狀態(tài)轉換表5、畫狀態(tài)轉換圖000/0Q3Q2Q1/Y010/0011/0100/0101/0110/1001/0111/1邏輯功能描述：能自啟動的模7加法計數(shù)器，對時鐘信號計數(shù)，輸出為進位脈沖自啟動的

286、畫時序圖（可選）注意是主從J-K觸發(fā)器

29練習21、列驅動方程、狀態(tài)方程、輸出方程D1=Q1’D2=AQ1Q2Q1*=D1=Q1’Q2*=D2=AQ1Q2Y=A’·Q2·Q1+A·Q2’·Q1’

302、列狀態(tài)轉換表AQ2

Q1000001010011100101110111Q2*

Q1*Y010100110001111000010100Q1*=Q1’Q2*=AQ1Q2Y