必修數(shù)電北航課件全partq

數(shù)字電路與系統(tǒng)1第五章、觸發(fā)器Part

3第五章@第五版2習(xí)題第五版5.1；5.2；5.3；5.4；5.65.9；5.11；5.12；5.145.20；5.22；5.25；5.27第五章觸發(fā)器3§5.1

基本觸發(fā)器和同步觸發(fā)器SR鎖存器電平觸發(fā)的SR觸發(fā)器§5.2

脈沖觸發(fā)的主從觸發(fā)器脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器§5.3§5.4邊沿觸發(fā)器觸發(fā)器特性及功能轉(zhuǎn)換§5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換JK觸發(fā)器Qn

+1

=

JQn

+

KQn激勵表QnQn+1JK000×011×10×111×0狀態(tài)表JKQn+100Qn10101011Qn4§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換RS觸發(fā)器激勵表QnQn+1SR000×0110100111×0RS

”

0Qn+1

=

S

+

R

Qn狀態(tài)表SRQn+100Qn10101011X0510110X00XRS§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換D觸發(fā)器——delayQn+1

=

D狀態(tài)表DQn+10011激勵表QnQn+1D0000111001116§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換T觸發(fā)器T——toggle；T=1，翻轉(zhuǎn)；T=0，保持。可控的計數(shù)觸發(fā)器T01JKQn

0011101101100100本例是脈沖觸發(fā)延遲輸出的T觸發(fā)器7§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換T觸發(fā)器Qn+1

=

T

Qn

+T

Qn激勵表QnQn+1T000011101110011100狀態(tài)表TQn+10Qn1Qn8§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換T’觸發(fā)器相當(dāng)于T=1Qn+1

=

Qn9§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換10激勵表QnQn+1SRDJKT000x00x0011011x110010x1111x01x00§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為其它觸發(fā)器Qn

+1

=

JQn

+

KQnQn+1

=

DQn+1

=

T

Qn

+T

QnQn+1

=

Qn11§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換Qn

+1

=

JQn

+

KQnD觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為其它觸發(fā)器Qn+1

=

DQn+1

=

T

Qn

+T

QnQn+1

=

Qn12觸發(fā)器的簡單應(yīng)用代碼寄存器（register）一個觸發(fā)器可以寄存1-bit二進(jìn)制代碼清零寄存命令x313x2x1x0觸發(fā)器的簡單應(yīng)用移位寄存器輸入14觸發(fā)器的簡單應(yīng)用計數(shù)器（異步）T計數(shù)脈沖15低位高位觸發(fā)器的常規(guī)應(yīng)用16時序邏輯電路結(jié)構(gòu)上有反饋功能上有記憶詳見第6章…觸發(fā)器的特種應(yīng)用異步接口電路根據(jù)本地時鐘，對異步的信號（事件）進(jìn)行采樣和處理例如：（第五版[題5.21]）設(shè)Q的初始值為0，繪出CP和A信號輸入下的Q的波形“（單）事件檢查”功能17小結(jié)——本章的基本知識18觸發(fā)器特點：置數(shù)、保持描述觸發(fā)器邏輯功能的方法：特性表（狀態(tài)表、激勵表）、特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和波形圖按照結(jié)構(gòu)不同，觸發(fā)器可分為基本RS觸發(fā)器（直接觸發(fā)）、同步觸發(fā)器（電平觸發(fā)）、主從觸發(fā)器（主從觸發(fā)）、邊沿觸發(fā)器（邊沿觸發(fā)）根據(jù)邏輯功能的不同，觸發(fā)器可分為RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器和T’觸發(fā)器利用特性方程可實現(xiàn)不同功能觸發(fā)器間邏輯功能的相互轉(zhuǎn)換觸發(fā)器動態(tài)特性影響觸發(fā)器速度5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象195.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象20亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象：觸發(fā)器無法在某個給定的時間段內(nèi)達(dá)到一個可確定的狀態(tài)亞穩(wěn)態(tài)期間，輸出一些中間級電平，或處于振蕩狀態(tài)；無法預(yù)測何時輸出才能穩(wěn)定到某個預(yù)期的正確電平；而且，這種無用的輸出電平可以沿信號通道向各個級聯(lián)的觸發(fā)器傳播，造成連鎖反應(yīng)。例如：在Flip-flop的決斷時間，信號沒有穩(wěn)定決斷時間——例如：setup或holdup時間決斷之后——Q是0還是1，是隨機(jī)的。5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象同步時序邏輯電路的亞穩(wěn)態(tài)問題時鐘的傳播需要時間緩解方法：例如，F(xiàn)PGA有“時鐘樹”系統(tǒng)，保證各個節(jié)點的時鐘偏斜在規(guī)定的范圍內(nèi)，“時鐘樹”是寶貴的布線資源。異步復(fù)位可能引起的問題所有信號難以在同一個時間點被同時復(fù)位，會產(chǎn)生不確定的狀態(tài)；復(fù)位信號與時鐘相位關(guān)系不確定或不良設(shè)計，可能會誤動作。MTBF（Mean

Time

Between

Failures）——平均無故障時間215.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象22異步電路的亞穩(wěn)態(tài)問題數(shù)字電路設(shè)計大部分采用同步時序，但在時鐘域接口時，外部輸入信號與本地時鐘不同步，信號的輸出驅(qū)動和輸入采樣在不同時鐘節(jié)拍下進(jìn)行。意味著：異步構(gòu)件亞穩(wěn)態(tài)不可避免，但是可以減少亞穩(wěn)態(tài)造成的錯誤，或是降低系統(tǒng)對錯誤的敏感程度。5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象23異步電路的亞穩(wěn)態(tài)問題（續(xù)）討論：電平信號的異步采樣脈沖信號穿越時鐘域慢脈沖快脈沖控制/狀態(tài)信號穿越時鐘域大量數(shù)據(jù)穿越時鐘域**5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象電平信號異步采樣例如：雙寄存器方法異步信號被本地時鐘采樣，被兩個串聯(lián)的D觸發(fā)器寄存，D-FF1有可能輸出亞穩(wěn)態(tài)（中間電平、毛刺、振蕩），D-FF2延遲一個時鐘周期采樣，輸出信號正常切換。24例：雙寄存器采樣異步電平信號雙寄存器方案雖然可以改良輸出信號的“品相”，但額外的延遲不可避免的歧義點異步接口——系統(tǒng)設(shè)計層面需要考慮的問題顯式事件同步、握手信號、并發(fā)信號交互協(xié)議…（部分內(nèi)容已超過數(shù)電的范疇）255.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象26脈沖信號穿越時鐘域有的時候，只需要提取脈沖信息——根據(jù)異步脈沖信號生成一個本地的脈沖信號慢脈沖脈沖寬度大于本地時鐘周期3~4倍以上；快脈沖脈沖寬度在本地時鐘周期3~4倍以下，脈沖可以很窄，但它出現(xiàn)的頻率必須低于本地時鐘。慢脈沖“穿越”的解決方案慢脈沖27輸出脈沖快脈沖“穿越”的解決方案T285.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象29控制/狀態(tài)信號穿越時鐘域由于信號與采樣時鐘的相對相位不確定，穿越時鐘域可能會存在歧義點，所以…系統(tǒng)設(shè)計層面考慮只允許關(guān)鍵信號穿越多路信號穿越，信號之間盡量能夠獨(dú)立分解使用一般不允許穿越后的多路信號作邏輯處理5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象控制/狀態(tài)信號穿越時鐘域系統(tǒng)設(shè)計層面考慮（續(xù)）反例：由于可能存在的歧義點，影響信號之間時序配合關(guān)系。——“1”寫狀態(tài)，“0”讀狀態(tài)；兩路脈沖穿越，但提取的脈沖信號相對相位不確定；故而，忌穿越后的多路信號作邏輯處理。CS——片選信號，RD

/WRT30反例：T31解決方法——在穿越之前先分解成獨(dú)立信號，快時鐘減小采樣誤差，“快脈沖”處理。32解決方法——在穿越之前先分解成獨(dú)立信號，快時鐘減小采樣誤差，“快脈沖”處理。335.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象34大量數(shù)據(jù)穿越時鐘域異步的FIFO一個時鐘寫入數(shù)據(jù)，另一個時鐘讀出數(shù)據(jù)，讀/寫時鐘是異步的關(guān)鍵：產(chǎn)生讀/寫地址和空/滿標(biāo)志…擴(kuò)展的話題——“critical”

的控制電路離散事件動態(tài)系統(tǒng)的控制規(guī)范（已超出本課程范疇）擴(kuò)展的話題**例如：FIFO控制器Ri+Ao+Ao-Ro+Ai+Ri-

Ro-RiRoAoAiFIFOctrlAi-STG圖使用方法：Ri作為數(shù)據(jù)有效指示信號，AO

為允許數(shù)據(jù)存儲的觸發(fā)脈沖，上升沿觸發(fā)。注意：上面的STG圖中，紅色為外部的主動信號，藍(lán)色為電路自動轉(zhuǎn)換的信號。35擴(kuò)展的話題**集成電路內(nèi)部以CMOS管開關(guān)構(gòu)成的所謂“C元件”C

elementZ

n+1

=

A Z

n

+

B Z

n

+

AB36

AA

?

BA

=

BZ

nZ

n+1

=

擴(kuò)展的話題**37關(guān)于FIFO的一點說明對于在本地時鐘同步驅(qū)動下的FIFO，較為簡單例如：幾行Verilog

HDL語言描述但對于高速工作的FIFO如果不想受限于本地時鐘頻率