清华大学：《数字逻辑与数字集成电路电路》课程教材电子教案（PPT教学课件，第2版）第五章 同步时序电路的分析

第五章同步时序电路的分析 时序电路( sequential circuit):电路某一时刻的稳定输出 不仅取决于当前输入( presentinput),还取决于过去输入 ( past input。触发器作为记忆元件保存了过去的输入 ■现态与次态:过去的输入用触发器的内部状态来表示,称为 现态( present state);当前输入之后转变后的状态称谓次态 next state)。时序电路在外部激励下改变状态,因此,时 序电路就是有限状态自动机。 ■在描述触发器功能时,我们用了Q表示现态,Q表示次态。 下面我们会用更一般的描述,Qn表示现态,Qn+表示次态

第五章同步时序电路的分析 ◼ 时序电路(sequential circuit)：电路某一时刻的稳定输出 不仅取决于当前输入(present input )，还取决于过去输入 (past input)。触发器作为记忆元件保存了过去的输入。 ◼ 现态与次态：过去的输入用触发器的内部状态来表示，称为 现态(present state);当前输入之后转变后的状态称谓次态 (next state)。时序电路在外部激励下改变状态，因此，时 序电路就是有限状态自动机。 ◼ 在描述触发器功能时，我们用了Q0表示现态，Q表示次态。 下面我们会用更一般的描述，Qn表示现态，Qn＋1表示次态

同步时序与异步时序 同步( synchronous时序电路: 系统中使用统一的时钟( clock),指挥各部件操作 只有约定时钟到来,触发器才能改变状态 个脉冲只能改变一次状态 异步( asynchronous时序电路: 系统中没有统一的时钟( unclocked,free running 电路状态的改变是由输入信号引起的

同步时序与异步时序 ◼ 同步(synchronous)时序电路: – 系统中使用统一的时钟(clock)，指挥各部件操作 – 只有约定时钟到来，触发器才能改变状态 – 一个脉冲只能改变一次状态 ◼ 异步(asynchronous)时序电路: – 系统中没有统一的时钟(unclocked, free running ) – 电路状态的改变是由输入信号引起的

时序电路的结构框图 Xn 组合逻辑电路 内部输入 内部输出 记忆电路 例:位串行加法器ⅹ Fi Yi FA cp

时序电路的结构框图 组合逻辑电路 记忆电路 … … … … … … X1 Xn Zm Z1 内部输入 内部输出 例:1位串行加法器 FA Ci Fi Yi Xi cp Ci-1 Ci

同步时序电路的结构框图 输出只与状态有关:“ Moore自动机” 输入(D输入逻辑激励变量(E)存储元件 输出逻辑输出(O) f CLK M (S) 状态变量 输出与输入和状态都有关:“ Mealy自动机” 输入(I) 输入逻辑激励变量(E】存储元件L输出逻辑|输出(O) f CLK M g 状态变量

同步时序电路的结构框图 输入逻辑 (f) 存储元件 M 输出逻辑 (g) 输出(O) CLK (S) 输入 激励变量(E) (I) 状态变量 输入逻辑 (f) 存储元件 M 输出逻辑 (g) 输出(O) CLK (S) 激励变量(E) 状态变量 输入(I) 输出只与状态有关：“Moore自动机” 输出与输入和状态都有关：“Mealy自动机

1同步时序电路结构:同步计数器 Q Q 2 O QQ Q CP D CP D CP D CP D2=Q1,D1=Q。,D。=Q2,(逻辑功能?) Q 电路特点 统一时钟; 计数延迟与 岛888 CP D 位数无关。 CP D2=Q1,D1=Q。,D。=Q2,(逻辑功能?)

1.同步时序电路结构：同步计数器 Q CP D Q Q CP D Q Q CP D Q Q CP D Q Q CP D Q Q CP D Q CP CP Q2 Q1 Q0 Q2 Q1 Q0 D2 ＝Q1， D1 ＝Q0， D0 ＝Q2， D2 ＝Q1， D1 ＝Q0， D0 ＝Q2， (逻辑功能？) （逻辑功能？） 电路特点： 统一时钟; 计数延迟与 位数无关

2异步时序电路举例:异步计数器 QQ QQ CP K J CP K J CP K CP Q O Q 00 Q CP D CP D CP D CP 电路特点:没有统一时钟 计数延迟与位数成正比

Q CP D Q Q CP D Q Q CP D Q Q0 Q1 Q2 电路特点：没有统一时钟； 计数延迟与位数成正比 CP 2.异步时序电路举例：异步计数器 CP Q J CP K Q “1” Q0 Q J CP K Q “1” Q1 Q J CP K Q “1” Q2

52同步时序电路的分析工具: 状态表、状态图、状态方程与激励表 功能表:描述电路输入输出关系 时序电路涉及触发器及电路的状态变化,必须引入 状态表( State Table)、状态图( State Diagram) 等分析工具 ■现态Qn:时钟到来之前电路的状态 次态Qn+1:时钟到来之后电路的状态 ■状态表与状态图:反映输入与状态转换的关系 状态方程:状态转换的表达式 ■激励表:从现态转变到次态,对输入数据的要求

5.2 同步时序电路的分析工具： 状态表、状态图、状态方程与激励表 ◼ 功能表：描述电路输入输出关系 ◼ 时序电路涉及触发器及电路的状态变化,必须引入 状态表(State Table)、状态图(State Diagram) 等分析工具 ◼ 现态Qn ：时钟到来之前电路的状态 ◼ 次态Qn+1：时钟到来之后电路的状态 ◼ 状态表与状态图：反映输入与状态转换的关系 ◼ 状态方程：状态转换的表达式 ◼ 激励表：从现态转变到次态，对输入数据的要求

1D触发器的状态表、激励表、状态图与状态方 程 D触发器功能表 状态表 激励表 D D Qn Qn+1 Qn Qn+1 D 0011 10 n+1 0101 1 1 1 简化功能表) 状态图D CP dQ 0 O 状态方程: ↑DDD O Q n+1 D

1.D触发器的状态表、激励表、状态图与状态方 程 D Qn Qn+1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 D触发器功能表 D D CP D Q Q  D 状态方程： Qn+1＝D (简化功能表) 状态图 状态表 0 1 0 1 0 1 Qn 0 1 D Qn+1 D Qn Qn+1 D 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 激励表

2J-K触发器状态表、激励表、状态图与状态方 程 状态表 功能表 K00011110 J「KQnQ n+1 00 oO Hold 11 0 0 oO Store o Q n+1 10 状态图 o 1 Store 1 O0,O1 1O,11 00,10 o 1 Count 个O1,11 1 10 状态方程 Qn+1=J Qn+KQ

2.J-K触发器状态表、激励表、状态图与状态方 程 功能表 J K Qn Qn+1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 Hold Store 0 Store 1 Count J 状态表 K Qn 1 0 00 01 11 10 0 0 1 1 1 0 0 1 Qn+1 状态图 JK 状态方程 Qn+1 =J Qn +K Qn

J-K触发器状态表、激励表、状态图与状态方程 功能表 j K Qn Qn+ J-K触发器激励表 Hold Qn Qn+1J K 11 o X 00 Store o 1 X X 1 o111o Store 1 1 X O Count 1 1

J-K触发器状态表、激励表、状态图与状态方程 x x 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 x 1 1 x Qn Qn+1 J K J-K触发器激励表 功能表 J K Qn Qn+1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 Hold Store 0 Store 1 Count