湖南大學(xué)數(shù)字設(shè)計(jì)講義第五章時(shí)序電路

1、2022-2-281學(xué)習(xí)要求：學(xué)習(xí)要求： 熟悉各種鎖存器、觸發(fā)器的功能和使用方法； 了解時(shí)序機(jī)（時(shí)序邏輯電路）的基本結(jié)構(gòu)、分類和常用的描述方法；熟悉狀態(tài)圖建立、狀態(tài)簡(jiǎn)化和狀態(tài)分配； 熟悉有關(guān)冒險(xiǎn)的知識(shí)； 熟練掌握同步時(shí)序機(jī)和異步時(shí)序機(jī)分析和設(shè)計(jì)的基本方法。第第5 5章章 時(shí)序電路時(shí)序電路2022-2-2822022-2-282 數(shù)字系統(tǒng)的層次之本章所在數(shù)字系統(tǒng)的層次之本章所在l 系統(tǒng)系統(tǒng)l 邏輯單元邏輯單元l 邏輯門邏輯門l CMOS電路電路l 硅片電路硅片電路2022-2-283q時(shí)序邏輯的根本在于觸發(fā)器時(shí)序邏輯的根本在于觸發(fā)器觸發(fā)器是時(shí)序邏輯電路的基礎(chǔ)單元。觸發(fā)器是具有記憶功能的邏輯部件。

2、時(shí)序邏輯的核心在于有限狀態(tài)機(jī)（時(shí)序邏輯的核心在于有限狀態(tài)機(jī)（FSMFSM） FSM是時(shí)序邏輯電路的核心部件。FSM是智能電路系統(tǒng)的核心所在。(FSMFinite State Machine) Y Y語(yǔ)錄語(yǔ)錄2022-2-284習(xí)題習(xí)題 1、完成練習(xí)P186:5-2, 5-3, 5-4, 5-6, 5-7, 5-9, 5-10, 5-11,5-13, 5-14, 5-15, 5-19, 5-21, 5-24, 5-37第第5 5章章 時(shí)序電路（續(xù)）時(shí)序電路（續(xù)）2022-2-285l 時(shí)序邏輯電路的輸出不僅取決于當(dāng)前的輸入，而且取決于過(guò)去的輸入序列，在時(shí)間上可能要倒回到任意遠(yuǎn)去。5 5 時(shí)序邏輯

3、電路時(shí)序邏輯電路l過(guò)去的輸入已經(jīng)不復(fù)存在，因此必須使用記憶方式記錄過(guò)去的事情；l時(shí)序電路的狀態(tài)是一個(gè)變量集合，這些變量在任意時(shí)刻的值都包含了為確定電路的未來(lái)行為而必須考慮的所有的歷史信息；l給定當(dāng)前的狀態(tài)，我們就可以由輸入確定下一個(gè)狀態(tài)；l通常狀態(tài)的個(gè)數(shù)是有限的，故有時(shí)也將時(shí)序電路稱為有限狀態(tài)機(jī)（finite-state machine，F(xiàn)SM）；l使用時(shí)序邏輯，往往可以使電路變得簡(jiǎn)單。2022-2-2865 5 時(shí)序邏輯電路（續(xù)）時(shí)序邏輯電路（續(xù)）l 占空比是時(shí)鐘信號(hào)的有效時(shí)間與時(shí)鐘周期的百分比。l 同步時(shí)序電路與異步時(shí)序電路。l 時(shí)鐘信號(hào)2022-2-2875.1 5.1 雙穩(wěn)態(tài)元件雙穩(wěn)態(tài)

4、元件l 用反相器構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)元件2022-2-2885.2 5.2 鎖存器與觸發(fā)器鎖存器與觸發(fā)器l 鎖存器（latch）和觸發(fā)器（flip-flop）是大多數(shù)時(shí)序電路的基本構(gòu)件。l 一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)鎖存器的使能端無(wú)效時(shí)，其輸出隨輸入變化而變化；當(dāng)使能端變?yōu)橛行r(shí)，其輸出保持此時(shí)刻的輸入值不再發(fā)生變化，直到使能端再次變?yōu)闊o(wú)效時(shí)為止。l 一般來(lái)說(shuō)，觸發(fā)器的輸出只會(huì)在時(shí)鐘信號(hào)所確定的時(shí)刻發(fā)生變化。 2022-2-2895.2.1 S-R5.2.1 S-R鎖存器鎖存器信號(hào)同時(shí)撤消，信號(hào)同時(shí)撤消，輸出不定。輸出不定。l 用或非門構(gòu)成S-R鎖存器2022-2-28105.2.1 S-R5.2.1 S-R鎖存器

5、（續(xù)）鎖存器（續(xù)）最小脈最小脈沖寬度沖寬度l 用與非門構(gòu)成S-R鎖存器2022-2-28115.2.3 5.2.3 具有使能端的具有使能端的S-RS-R鎖存器鎖存器可接可接時(shí)鐘時(shí)鐘2022-2-28125.2.4 D5.2.4 D鎖存器鎖存器l 解決了S-R觸發(fā)器兩個(gè)輸入端同時(shí)有效時(shí)所存在的問(wèn)題當(dāng)輸出穩(wěn)定后才關(guān)門當(dāng)輸出穩(wěn)定后才關(guān)門關(guān)門時(shí)不許輸入變化關(guān)門時(shí)不許輸入變化2022-2-28135.2.5 5.2.5 邊沿觸發(fā)式邊沿觸發(fā)式D D觸發(fā)器觸發(fā)器主主從從l 克服D鎖存器的“空翻”2022-2-28145.2.5 5.2.5 邊沿觸發(fā)式邊沿觸發(fā)式D D觸發(fā)器（續(xù)）觸發(fā)器（續(xù)）主主從從2022-

6、2-2815l 具有異步輸入端的D觸發(fā)器，可以用這些輸入端來(lái)迫使觸發(fā)器進(jìn)入一個(gè)與CLK信號(hào)和D信號(hào)無(wú)關(guān)的特定狀態(tài)。5.2.5 5.2.5 邊沿觸發(fā)式邊沿觸發(fā)式D D觸發(fā)器（續(xù)）觸發(fā)器（續(xù)）l 異步輸入端常被用來(lái)初始化電路的狀態(tài)。2022-2-28165.2.5 5.2.5 商用邊沿商用邊沿D D型觸發(fā)器型觸發(fā)器74LS7474LS74 - -多反饋回路電路（續(xù)）多反饋回路電路（續(xù)）74LS742022-2-2817l 使能端有效時(shí)，觸發(fā)器可以更新；否則，觸發(fā)器保持不變。5.2.6 5.2.6 有使能端的邊沿觸發(fā)式有使能端的邊沿觸發(fā)式D D觸發(fā)器觸發(fā)器2選選1多路復(fù)用器多路復(fù)用器2022-2-2

7、8185.2.10 5.2.10 邊沿觸發(fā)式邊沿觸發(fā)式J-KJ-K觸發(fā)器觸發(fā)器l 解決了S-R鎖存器兩個(gè)輸入端同時(shí)有效時(shí)所存在的問(wèn)題，而且控制靈活。l 為保證觸發(fā)器功能的正常實(shí)現(xiàn)，J、K輸入必須滿足時(shí)鐘觸發(fā)點(diǎn)建立時(shí)間和保持時(shí)間的技術(shù)規(guī)范。l 由于邊沿J - K觸發(fā)器消除了1和0箝位的問(wèn)題以及2個(gè)控制輸入同時(shí)有效的問(wèn)題，而且控制靈活，因此使得許多過(guò)去的脈沖觸發(fā)型觸發(fā)器被廢棄。2022-2-28195.2.11 T5.2.11 T觸發(fā)器觸發(fā)器l 在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖的有效邊沿都會(huì)改變狀態(tài)l 用T觸發(fā)器很容易實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器2022-2-28205.2.11 T5.2.11 T觸發(fā)器（續(xù)）觸發(fā)器（續(xù)）l 有使

8、能端的T觸發(fā)器2022-2-28215.3 5.3 時(shí)鐘同步狀態(tài)機(jī)分析時(shí)鐘同步狀態(tài)機(jī)分析l 同步狀態(tài)機(jī)：有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘控制著狀態(tài)機(jī)狀態(tài)改變的時(shí)間。l 對(duì)一個(gè)給定的同步狀態(tài)機(jī)，研究在一系列輸入信號(hào)作用下，狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)和輸出如何發(fā)生變化，進(jìn)而說(shuō)明該狀態(tài)機(jī)的邏輯功能。要求作出電路的狀態(tài)表，畫出狀態(tài)圖或時(shí)間圖，并作出功能評(píng)述。l 電路分析是學(xué)習(xí)電路知識(shí)的重要方法，通過(guò)分析可取眾家之長(zhǎng)。2022-2-28225.3.1 5.3.1 狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)l 兩種類型l Mealy機(jī)：輸出取決于當(dāng)前狀態(tài)和輸入x1z1xnzmyry1Y1Yl組合電路存儲(chǔ)器件時(shí)鐘2022-2-28235.3.1 5.3.1

9、狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)l Moore機(jī)：輸出僅（直接）取決于當(dāng)前狀態(tài)時(shí)鐘x1組合電路xnyry1Y1Ylz1zm存儲(chǔ)器件組合電路2022-2-28245.3.2 5.3.2 輸出邏輯輸出邏輯l 在高速電路中，希望狀態(tài)機(jī)盡快產(chǎn)生輸出。對(duì)于Moore機(jī)來(lái)說(shuō)，這可以通過(guò)對(duì)狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)?shù)鼐幋a來(lái)實(shí)現(xiàn)。2022-2-28255.3.2 5.3.2 輸出邏輯（續(xù)）輸出邏輯（續(xù)）l 對(duì)于Mealy機(jī)，可采用流水線結(jié)構(gòu)加快輸出的速度。當(dāng)前時(shí)鐘周期內(nèi)的輸出取決于前一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的狀態(tài)和輸入。同時(shí)進(jìn)行同時(shí)進(jìn)行2022-2-28265.3.3 5.3.3 特征方程特征方程l 鎖存器或觸發(fā)器的功能特性可以采用特征方程

10、來(lái)進(jìn)行形式化描述。0 0Q QQQ0 0QQ2022-2-28275.3.4 5.3.4 狀態(tài)圖與狀態(tài)表狀態(tài)圖與狀態(tài)表* *l 狀態(tài)圖和狀態(tài)表是用來(lái)表示同步狀態(tài)機(jī)的輸入、輸出、狀態(tài)之間關(guān)系的兩種常用工具。yx/zy*現(xiàn)態(tài)次態(tài) / 輸出輸入xyy*/zy/zxy*z現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸入xyy*輸出z2022-2-2828RS0100, 1000, 0101105.3.4 5.3.4 狀態(tài)圖與狀態(tài)表（續(xù)）狀態(tài)圖與狀態(tài)表（續(xù)）* *0101D100100, 01JK10, 1101, 1100, 10l 幾種鎖存器的狀態(tài)圖l 對(duì)于RS鎖存器，輸入組合RS=11沒(méi)有出現(xiàn)2022-2-28295.3.4 5.3

11、.4 狀態(tài)圖與狀態(tài)表（續(xù)）狀態(tài)圖與狀態(tài)表（續(xù)）* *ACB0/01/00/00/01/01/1例：例：某Mealy 型狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)表和狀態(tài)圖現(xiàn) 態(tài)次態(tài) / 輸出(y*/z)x = 0yA / 0A / 0B / 0 x = 1B / 0C / 0A / 1ABC2022-2-28305.3.4 5.3.4 狀態(tài)圖與狀態(tài)表（續(xù)）狀態(tài)圖與狀態(tài)表（續(xù)）* *例：例：某Moore 型狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)表和狀態(tài)圖現(xiàn) 態(tài)次 態(tài) y*x = 0yCBBx = 1ABC輸 出zBCA0101C/0A/0B/1001102022-2-28315.3.5 5.3.5 狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例l 狀態(tài)機(jī)分析的3個(gè)基本

12、步驟：l 確定狀態(tài)函數(shù)F和輸出函數(shù)G；l 用F（已知觸發(fā)器）和G構(gòu)造出狀態(tài)表；l 畫出狀態(tài)圖。l 例1：分析下面使用D觸發(fā)器的狀態(tài)機(jī)2022-2-28322022-2-28335.3.5 5.3.5 狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例（續(xù)）狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例（續(xù)）次態(tài)/輸出0 00 11 11 0現(xiàn) 態(tài) Q1 Q0 EN = 0EN = 100/001/011/010/001/010/000/111/0此狀態(tài)機(jī)為何物？2022-2-28345.3.5 5.3.5 狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例（續(xù)）狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例（續(xù)）l 例2：分析下面使用J-K觸發(fā)器的狀態(tài)機(jī)2022-2-28355.3.5 5.3.5 狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例（續(xù)）狀態(tài)機(jī)分

13、析實(shí)例（續(xù)）次態(tài)/輸出0 00 11 11 0現(xiàn) 態(tài) Q1 Q0 XY=00XY=0100/001/011/010/010/111/010/000/001/010/000/111/010/111/010/100/0XY=11XY=10令A(yù)=00，B=01，C=10，D=112022-2-2836l 例3：時(shí)間圖的做法擬定一個(gè)典型輸入序列： x = 01011101設(shè)初始狀態(tài) y2 y1= 00做出狀態(tài)響應(yīng)序列和輸出響應(yīng)序列為： CP: 1 2 3 4 5 6 7 8 x: 0 1 0 1 1 1 0 1 y2: 0 0 0 1 0 0 0 1 y1: 0 0 1 0 1 1 1 0 y2*:

14、0 0 1 0 0 0 1 0 y1*: 0 1 0 1 1 1 0 1 z: 0 0 0 1 0 0 0 1次態(tài)/輸出0 00 11 11 0現(xiàn) 態(tài) y2 y1 x = 0 x = 100/010/000/000/001/001/001/001/1000110111/0 x/z0/00/00/01/01/10/01/05.3.5 5.3.5 狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例（續(xù)）狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例（續(xù)）2022-2-2837 CP: 12345678 x: 01011101 y2: 00010001 y1: 00101110 y2*: 00100010 y1*: 01011101 z: 00010001功能說(shuō)明：

15、該電路是一個(gè)101序列檢測(cè)器。CPxy2y1Z123467855.3.5 5.3.5 狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例（續(xù)）狀態(tài)機(jī)分析實(shí)例（續(xù)）負(fù)邊沿觸發(fā)負(fù)邊沿觸發(fā)2022-2-28385.4 5.4 時(shí)鐘同步狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)鐘同步狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)l 依據(jù)對(duì)功能要求的文字描述，構(gòu)造出原始狀態(tài)表；l 將狀態(tài)表中的狀態(tài)數(shù)目最小化（狀態(tài)化簡(jiǎn)，可選）；l 狀態(tài)賦值；l 將狀態(tài)變量取值代入原始狀態(tài)表中得二進(jìn)制狀態(tài)表（轉(zhuǎn)移/輸出表）；l 選擇一種觸發(fā)器；l 構(gòu)造激勵(lì)表，用于獲得與每一種狀態(tài)/輸入組合對(duì)應(yīng)的下一個(gè)狀態(tài)；l 由激勵(lì)表推導(dǎo)出激勵(lì)方程F；l 由狀態(tài)表推導(dǎo)出輸出方程G；l 畫出邏輯電路圖。2022-2-28395.4.1 5.

16、4.1 狀態(tài)表設(shè)計(jì)舉例狀態(tài)表設(shè)計(jì)舉例l 設(shè)計(jì)一個(gè)具有2個(gè)輸入A和B，1個(gè)輸出Z的時(shí)鐘同步狀態(tài)機(jī)，Z為1的條件是：l 在前2個(gè)脈沖觸發(fā)沿上，A的值相同；或者l 從上一次第1個(gè)條件為真起，B的值一直為1；l 否則，輸出為0。l 附加信息：定時(shí)圖2022-2-28405.4.1 5.4.1 狀態(tài)表設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）狀態(tài)表設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）l 用Moore機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)2022-2-28415.4.1 5.4.1 狀態(tài)表設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）狀態(tài)表設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）狀態(tài)表的繼續(xù)演進(jìn)2022-2-28425.4.1 5.4.1 狀態(tài)表設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）狀態(tài)表設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）l 附加信息：定時(shí)圖2022-2-28435.4.2 5.4.

17、2 狀態(tài)最小化狀態(tài)最小化l 下表顯示了其他一些具有更多狀態(tài)的狀態(tài)表，它們同樣也能完成上例的操作功能。l 可以采用形式化方法來(lái)最小化狀態(tài)表中的狀態(tài)數(shù)目；l 上表中，狀態(tài)OK00和OKA0、 OK11和OKA1分別是等效的，可以分別去掉它們中間的任意1個(gè) 。2022-2-28445.4.3 5.4.3 狀態(tài)賦值狀態(tài)賦值l 確定要用多少位二進(jìn)制來(lái)表示狀態(tài)表中的全部狀態(tài)，并且將一個(gè)特定組合賦給每一個(gè)狀態(tài)。狀態(tài)賦值又稱狀態(tài)編碼。l 可能的狀態(tài)分配方案很多l(xiāng) 分配方案的好壞與所使用的觸發(fā)器有關(guān)l 必須考慮未使用的狀態(tài)2022-2-28455.4.3 5.4.3 狀態(tài)賦值（續(xù)）狀態(tài)賦值（續(xù)）初始初始狀態(tài)狀態(tài)

18、輸出輸出輸入輸入A A每每1 1位代表位代表1 1個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài)l 對(duì)未用狀態(tài)的處理l 最小冒險(xiǎn)法：一旦進(jìn)入后可以脫離，減少風(fēng)險(xiǎn)；000110111/0 x/z0/00/00/01/01/10/01/0l 最小成本法：可簡(jiǎn)化激勵(lì)函數(shù)F（利用無(wú)關(guān)最小項(xiàng)），降低成本。2022-2-28465.4.4 5.4.4 采用采用D D觸發(fā)器的綜合觸發(fā)器的綜合l 由二進(jìn)制狀態(tài)表和選定的觸發(fā)器求出激勵(lì)表l 激勵(lì)表：對(duì)于每一種狀態(tài)編碼和輸入的組合，要使?fàn)顟B(tài)機(jī)進(jìn)入所期望的下一狀態(tài)（次態(tài)）所需的觸發(fā)器激勵(lì)輸入值（描述狀態(tài)機(jī)的特性）。2022-2-28475.4.4 5.4.4 采用采用D D觸發(fā)器的綜合（續(xù)）觸發(fā)器的

19、綜合（續(xù)）假設(shè)未用狀態(tài)轉(zhuǎn)移到000狀態(tài)的D1、D2、D3激勵(lì)圖（最小冒險(xiǎn)法）2022-2-28485.4.4 5.4.4 采用采用D D觸發(fā)器的綜合（續(xù)）觸發(fā)器的綜合（續(xù)）假設(shè)未用狀態(tài)永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)（最小成本法）2022-2-28495.4.5 5.4.5 采用采用J-KJ-K觸發(fā)器的綜合觸發(fā)器的綜合l 觸發(fā)器應(yīng)用表：將觸發(fā)器的激勵(lì)表示為狀態(tài)轉(zhuǎn)移的函數(shù)（描述觸發(fā)器的特性）J-K觸發(fā)器功能表狀態(tài)轉(zhuǎn)換2022-2-28505.4.5 5.4.5 采用采用J-KJ-K觸發(fā)器的綜合（續(xù)）觸發(fā)器的綜合（續(xù)）由狀態(tài)轉(zhuǎn)移表和觸發(fā)器應(yīng)用表產(chǎn)生狀態(tài)機(jī)的激勵(lì)表2022-2-28515.4.5 5.4.5 采用采用J

20、-KJ-K觸發(fā)器的綜合（續(xù)）觸發(fā)器的綜合（續(xù)）2022-2-28525.4.6 5.4.6 采用采用D D觸發(fā)器的設(shè)計(jì)例子觸發(fā)器的設(shè)計(jì)例子例1：設(shè)計(jì)一個(gè)有2個(gè)輸入X和Y以及1個(gè)輸出Z的時(shí)鐘同步狀態(tài)機(jī)。復(fù)位后，當(dāng)X和Y輸入1的個(gè)數(shù)為4的整數(shù)倍時(shí)，輸出為1，否則輸出為0。解：用Moore機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)要多少個(gè)狀態(tài)？2022-2-28535.4.6 5.4.6 采用采用D D觸發(fā)器的設(shè)計(jì)例子（續(xù)）觸發(fā)器的設(shè)計(jì)例子（續(xù)）？2022-2-28545.4.6 5.4.6 采用采用D D觸發(fā)器的設(shè)計(jì)例子（續(xù)）觸發(fā)器的設(shè)計(jì)例子（續(xù)）例2：設(shè)計(jì)一個(gè)有1個(gè)輸入X，2個(gè)輸出 UNLK和HINT的時(shí)鐘同步狀態(tài)機(jī)。當(dāng)且僅當(dāng)X

21、為0，并且前面7個(gè)脈沖觸發(fā)沿到來(lái)時(shí)，X接收到的輸入序列為0110111時(shí)，輸出UNLK為1。當(dāng)且僅當(dāng)X的當(dāng)前值是上述序列中的1個(gè)正確值以使?fàn)顟B(tài)機(jī)逐步接近于“解鎖”（即UNLK1）狀態(tài)時(shí)，輸出HINT為1。解：用Mealy機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)- -0 00101011011011001100110101101011011011011011011101101112022-2-28552022-2-28565.5 5.5 用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)l 一個(gè)電路的輸入端可能有很多，因此轉(zhuǎn)移和輸出表的規(guī)?？赡芎艽?，這時(shí)運(yùn)用狀態(tài)圖來(lái)設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)比較方便。000111110101100AAAAABABAAAAB

22、ABA2022-2-28575.5 5.5 用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）例：雷鳥車尾燈輸入：LEFT，RIGHT，HAZ，（時(shí)鐘）；輸出：LC，LB，LA，RA，RB，RC。2022-2-2858共有8個(gè)狀態(tài)，其中IDLE為空閑狀態(tài)（沒(méi)有燈發(fā)光）。問(wèn)題：在IDLE狀態(tài)時(shí)，如果LEFT和HAZ同時(shí)有效會(huì)怎么樣？5.5 5.5 用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）2022-2-2859l 狀態(tài)圖必須沒(méi)有二義性，即離開每一個(gè)狀態(tài)的弧線上所標(biāo)出的轉(zhuǎn)移表達(dá)式都是互斥的，并且是完備的。5.5 5.5 用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）l 互斥性：在離開每一狀態(tài)

23、的弧線上所標(biāo)的任意一對(duì)轉(zhuǎn)移表達(dá)式的邏輯積等于0。l 完備性：在離開每一狀態(tài)的弧線上所標(biāo)的所有轉(zhuǎn)移表達(dá)式的邏輯和等于1。l 右圖無(wú)二義性l 有沒(méi)有更好的改進(jìn)？2022-2-28605.5 5.5 用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)） 初態(tài)：000； 左轉(zhuǎn)：Q2=0，Q1 Q0用葛萊碼； 右轉(zhuǎn)：Q2=0，Q1 Q0用葛萊碼； 全亮：100。一個(gè)更好的改進(jìn)一個(gè)更好的改進(jìn)2022-2-28615.5 5.5 用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）此問(wèn)題轉(zhuǎn)移列表的大小只相當(dāng)于轉(zhuǎn)移表大小的1/42022-2-28625.5 5.5 用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）用狀態(tài)圖設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)（續(xù)）l

24、方法小結(jié)方法小結(jié)l 做出狀態(tài)機(jī)的初始狀態(tài)圖和輸出表，用來(lái)粗略地描述出狀態(tài)機(jī)的輸入與輸出之間的邏輯關(guān)系；l 對(duì)狀態(tài)圖進(jìn)行細(xì)化，消除狀態(tài)圖中的二義性，保證電路能正常工件；l 改進(jìn)狀態(tài)圖，充分、完整地描述電路的工作，保證設(shè)計(jì)有良好的性能；l 列出狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移列表。2022-2-28635.6 5.6 用轉(zhuǎn)移表綜合狀態(tài)機(jī)用轉(zhuǎn)移表綜合狀態(tài)機(jī)l 轉(zhuǎn)移方程l 激勵(lì)方程l 使用D觸發(fā)器時(shí)，若Qi*=表達(dá)式，則Di=表達(dá)式；l 使用其它觸發(fā)器時(shí)，則需要建立激勵(lì)產(chǎn)生表，如p418。2022-2-28645.6 5.6 用轉(zhuǎn)移表綜合狀態(tài)機(jī)用轉(zhuǎn)移表綜合狀態(tài)機(jī)( (續(xù)續(xù)) )Q0 HAZ Q1* J1 K1 0 0 0

25、 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 J1=Q0HAZK1=J12022-2-28655.7 5.7 其他狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)舉例其他狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)鐘同步狀態(tài)機(jī)（“猜謎游戲”機(jī)），它有4個(gè)按鈕輸入G1G4和4個(gè)燈輸出L1L4，按鈕和燈都有一個(gè)編號(hào)。另外，還有一個(gè)輸出信號(hào)ERR與一個(gè)紅燈相連。4個(gè)燈在時(shí)鐘控制下，輪流地被點(diǎn)亮，時(shí)鐘頻率為4Hz。按下一個(gè)按鈕，就有一個(gè)輸入Gi為有效。如果在時(shí)鐘觸發(fā)沿所測(cè)得Gi與時(shí)鐘觸發(fā)沿到來(lái)前就有效的燈輸出不相同的話，ERR信息有效，紅燈被點(diǎn)亮。一旦完成了一次猜測(cè)，游戲就停止并且ERR輸出會(huì)維持1個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘周期（猜錯(cuò)時(shí)），直到輸入

26、Gi被取消，游戲又恢復(fù)進(jìn)行。2022-2-28665.7 5.7 其他狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）其他狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）?2022-2-28675.7 5.7 其他狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）其他狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）2022-2-28685.7 5.7 其他狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）其他狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）未用狀態(tài)未用狀態(tài)110,111?110,111?2022-2-28695.8 5.8 狀態(tài)機(jī)的分解狀態(tài)機(jī)的分解l 大型狀態(tài)機(jī)很難概念化、設(shè)計(jì)以及調(diào)試。面對(duì)大型狀態(tài)機(jī)的問(wèn)題時(shí)，設(shè)計(jì)者常常要尋找機(jī)會(huì)使用較小的狀態(tài)機(jī)集合來(lái)解決問(wèn)題。l 有一個(gè)較為完善的狀態(tài)機(jī)分解理論，可以用來(lái)分析任何給定的“單片式”狀態(tài)機(jī)是否可以用較

27、小型的狀態(tài)機(jī)的集合來(lái)實(shí)現(xiàn)。2022-2-28705.8 5.8 狀態(tài)機(jī)的分解（續(xù)）狀態(tài)機(jī)的分解（續(xù)）l 要使得游戲更具有挑戰(zhàn)性，可以使時(shí)鐘頻率為原來(lái)的2倍或是3倍，并且讓燈保持原來(lái)狀態(tài)的時(shí)間為任意長(zhǎng)。這樣游戲者就真正要做出判斷：某一盞燈在某一狀態(tài)上保持的時(shí)間是否足以讓他按下按鈕。2022-2-28715.8 5.8 狀態(tài)機(jī)的分解（續(xù)）狀態(tài)機(jī)的分解（續(xù)）2022-2-28722022-2-2873l 一個(gè)有n個(gè)反饋回路的電路，有2n種狀態(tài)。l 反饋回路（包括導(dǎo)線和器件）是記憶元件，儲(chǔ)存著電路的當(dāng)前狀態(tài)。l 反饋時(shí)序電路沒(méi)有公共時(shí)鐘，內(nèi)部狀態(tài)直接由輸入端控制，常用總態(tài)表示電路所處的狀態(tài)?？倯B(tài)是內(nèi)部

28、狀態(tài)和輸入狀態(tài)的組合。5.9 5.9 反饋（異步）時(shí)序電路反饋（異步）時(shí)序電路l 各種類型的鎖存器和觸發(fā)器都是反饋時(shí)序電路，它們都有一個(gè)或者多個(gè)反饋回路。2022-2-28745.9 5.9 反饋（異步）時(shí)序電路（續(xù)）反饋（異步）時(shí)序電路（續(xù)）l 反饋時(shí)序電路中有穩(wěn)定的總態(tài)和不穩(wěn)定的總態(tài)l 穩(wěn)定的總態(tài)表明由當(dāng)前的內(nèi)部狀態(tài)和輸入狀態(tài)所確定的下一個(gè)內(nèi)部狀態(tài)與當(dāng)前的內(nèi)部狀態(tài)相同；l 如果下一個(gè)內(nèi)部狀態(tài)與當(dāng)前的內(nèi)部狀態(tài)不同，則當(dāng)前的總態(tài)是一個(gè)不穩(wěn)定的總態(tài)。2022-2-28755.9 5.9 反饋（異步）時(shí)序電路（續(xù)）反饋（異步）時(shí)序電路（續(xù)）l 反饋時(shí)序電路對(duì)輸入信號(hào)的約束：l 不允許多個(gè)輸入同時(shí)發(fā)

29、生變化；l 輸入兩次變化之間的時(shí)間不能太短。2022-2-28765.9.1 5.9.1 反饋（異步）分析反饋（異步）分析l D鎖存器的反饋分析注意：由于有延時(shí)，Y*Y。時(shí)延特性抽象表示2022-2-28775.9.1 5.9.1 反饋（異步）分析（續(xù)）反饋（異步）分析（續(xù)）YY*2022-2-28785.9.1 5.9.1 反饋（異步）分析（續(xù)）反饋（異步）分析（續(xù)）l 沒(méi)有任何事情會(huì)真正地同時(shí)發(fā)生。從電路操作的觀點(diǎn)看，一組n個(gè)輸入看來(lái)是“同時(shí)地”變化，實(shí)際上是以n!個(gè)不同順序中的任何1種順序在發(fā)生變化。l 與“同時(shí)地”的概念密切相關(guān)的時(shí)間間隔，就是D鎖存器的建立和保持時(shí)間窗。2022-2-

30、28795.9.2 5.9.2 分析多反饋回路電路分析多反饋回路電路l 在多反饋回路電路中，必須斷開所有的回路，并且為每一個(gè)斷開了的回路設(shè)置一個(gè)虛構(gòu)緩沖器和狀態(tài)變量才能便于分析。l 有許多種斷開方式，斷點(diǎn)數(shù)最少的方式是最好的，但可能有多種。l 由不同的最少斷點(diǎn)方式得到的狀態(tài)/輸出表所表示的輸入/輸出特性是一樣的，只是狀態(tài)的命名和編碼不同而已。l 如果采用多于最少斷點(diǎn)的方式去分析反饋時(shí)序電路，所得到的狀態(tài)/輸出表仍可以正確地描述電路特性。但是，如果假設(shè)多用了m個(gè)斷點(diǎn)，分析過(guò)程中所用到的狀態(tài)變量數(shù)增大了2m倍。l 采用形式化狀態(tài)最小化過(guò)程可以將一個(gè)較大的表簡(jiǎn)化為合適的大小。但是，最好還是在一開始就

31、選用最少斷點(diǎn)方式。2022-2-28805.9.2 5.9.2 分析多反饋回路電路（續(xù)）分析多反饋回路電路（續(xù)）74LS742022-2-28812022-2-28825.9.2 5.9.2 分析多反饋回路電路（續(xù)）分析多反饋回路電路（續(xù)）2022-2-28835.9.3 5.9.3 競(jìng)爭(zhēng)競(jìng)爭(zhēng)l 在反饋時(shí)序電路中，競(jìng)爭(zhēng)是指一個(gè)輸入信號(hào)的變化，引起多個(gè)內(nèi)部狀態(tài)變量同時(shí)改變。在右圖中，當(dāng)CLK信號(hào)由0變到1時(shí)，穩(wěn)定總態(tài)011/00就會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)。l 如果競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)不同的最終狀態(tài)，則這樣的競(jìng)爭(zhēng)稱為非臨界競(jìng)爭(zhēng)，如右上圖。否則稱為臨界競(jìng)爭(zhēng)，它是有害的。l 由于競(jìng)爭(zhēng)的存在，內(nèi)部狀態(tài)從011變到0

32、00的過(guò)程，可能是011001000或者是011010000。2022-2-28845.9.3 5.9.3 競(jìng)爭(zhēng)（續(xù)）競(jìng)爭(zhēng)（續(xù)）011001000011010110 1112022-2-28855.9.4 5.9.4 狀態(tài)表與流程表狀態(tài)表與流程表l 狀態(tài)表表示單個(gè)輸入變量變化時(shí)，電路達(dá)到新的穩(wěn)定總態(tài)時(shí)所發(fā)生的多個(gè)“跳程”。l 流程表中刪除了一些跳程，只表示出每次轉(zhuǎn)移過(guò)程的最終目標(biāo)。它去掉了未用的內(nèi)部狀態(tài)和那些穩(wěn)定的總狀態(tài)在單個(gè)輸入變化時(shí)不會(huì)到達(dá)的下一狀態(tài)。2022-2-28865.9.4 5.9.4 狀態(tài)表與流程表（續(xù)）狀態(tài)表與流程表（續(xù)）l 設(shè)觸發(fā)器的初始總態(tài)為S0/10，此時(shí)觸發(fā)器儲(chǔ)存0，

33、CLK為1，D為0。l D：01，狀態(tài)和輸出（Y3）都不變；l CLK：10，狀態(tài)變?yōu)镾2或者S6，取決于此時(shí)的D是0還是1，但輸出依然沒(méi)變；l D： 01，狀態(tài)在S2和S6之間跳動(dòng)，但輸出仍不變；l CLK：0 1，狀態(tài)變?yōu)镾0或S7，輸出Q變?yōu)?或?yàn)?，這取決于此時(shí)的狀態(tài)是S2還是S6。2022-2-28875.10 5.10 反饋時(shí)序電路設(shè)計(jì)反饋時(shí)序電路設(shè)計(jì)l 鎖存器：任何只有一個(gè)反饋回路的電路，都只不過(guò)是一個(gè)S-R鎖存器或D鎖存器的變形。它們的一般結(jié)構(gòu)和激勵(lì)方程如下所示。l S-R和D鎖存器的激勵(lì)方程如下：2022-2-28885.10 5.10 反饋時(shí)序電路設(shè)計(jì)（續(xù)）反饋時(shí)序電路設(shè)計(jì)

34、（續(xù)）C=D=1時(shí)，Q*=1；C：10時(shí)，Q*應(yīng)該為1。但除非反相器的速度非常快，否則，反饋回路將鎖存在0狀態(tài)。1 11 11 10 01 10 00 00 01 12022-2-28895.10 5.10 反饋時(shí)序電路設(shè)計(jì)（續(xù)）反饋時(shí)序電路設(shè)計(jì)（續(xù)）消除了冒險(xiǎn)的D鎖存器2022-2-28905.10.2 5.10.2 設(shè)計(jì)基本模式流程表設(shè)計(jì)基本模式流程表l 原始流程表：表中的每一行只有一個(gè)穩(wěn)定的總狀態(tài)。每一個(gè)狀態(tài)都具有比較精確的“含義”，但通常會(huì)包含一些多余的狀態(tài)。例：設(shè)計(jì)一個(gè)具有2個(gè)輸入，即P（脈沖）和R（復(fù)位），1個(gè)輸出Z的反饋時(shí)序電路。每當(dāng)P從0變到1（即脈沖出現(xiàn)）時(shí)，輸出被置為1；而

35、每當(dāng)R為1（即進(jìn)行復(fù)位）時(shí)，輸出就被復(fù)位為0。P P較較R R弱弱 R R較較P P強(qiáng)強(qiáng)2022-2-28915.10.2 5.10.2 設(shè)計(jì)基本模式流程表（續(xù)）設(shè)計(jì)基本模式流程表（續(xù)）當(dāng)每一列都有了一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)后，要盡量使更多的轉(zhuǎn)移進(jìn)入這些狀態(tài)，而不是總要定義新的狀態(tài)。只有在這些狀態(tài)不能利用時(shí)才定義新的狀態(tài)。含義含義 S00011110ZP R空閑，等待脈沖IDLEIDLERES1 -PLS1 0重置，無(wú)脈沖RES1IDLERES1RES2 - 0捕獲脈沖，輸出為1PLS1PLS2 -RES2PLS1 1重置，有脈沖 RES2 -RES1RES2PLSN 0脈沖捕獲后又消失，輸出為1PLS

36、2PLS2RES1 -PLS1 1捕獲脈沖，但輸出為0PLSNIDLE -RES2PLSN 0 S*2022-2-28925.10.3 5.10.3 流程表的最小化流程表的最小化l 可用形式化方法來(lái)最小化原始流程表，這通常要利用流程表中的無(wú)關(guān)項(xiàng)。 對(duì)于簡(jiǎn)單的流程表，也可以通過(guò)觀察來(lái)完成簡(jiǎn)化。含義含義 S00011110ZP R空閑，等待脈沖IDLEIDLEIDELRESPLS 0捕獲脈沖，輸出為1PLSPLSIDELRESPLS 1重置，獲得脈沖RESIDELIDELRESRES 0l 狀態(tài)IDLE和RES1，PLS1和PLS2、RES2和PLSN產(chǎn)生相同的輸出，并且對(duì)于相同的輸入取值組合，它

37、們有相同的下一狀態(tài)。因此，它們是相容的，可以分別用IDLE、PLS和RES來(lái)代替。l 合并后狀態(tài)“意義”比較含糊。2022-2-28935.10.3 5.10.3 流程表的最小化（續(xù)）流程表的最小化（續(xù)）狀態(tài)IDLE和RES1，PLS1和PLS2、RES2和PLSN是相容的，可以分別用IDLE、PLS和RES來(lái)代替。含義含義 S00011110ZP R空閑，等待脈沖IDLEIDLERES1 -PLS1 0重置，無(wú)脈沖RES1IDLERES1RES2 - 0捕獲脈沖，輸出為1PLS1PLS2 -RES2PLS1 1重置，有脈沖 RES2 -RES1RES2PLSN 0脈沖捕獲后又消失，輸出為1P

38、LS2PLS2RES1 -PLS1 1捕獲脈沖，但輸出為0PLSNIDLE -RES2PLSN 0 S*2022-2-28945.10.4 5.10.4 無(wú)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)賦值法無(wú)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)賦值法l 反饋時(shí)序電路的回路一定不能包含任何的臨界競(jìng)爭(zhēng)，否則電路的操作就不可預(yù)測(cè)。l 狀態(tài)相鄰圖2022-2-28955.10.4 5.10.4 無(wú)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)賦值法（續(xù)）無(wú)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)賦值法（續(xù)）l 用合理的賦值來(lái)避免競(jìng)爭(zhēng)。2022-2-28965.10.4 5.10.4 無(wú)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)賦值法（續(xù)）無(wú)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)賦值法（續(xù)）l 通過(guò)增加一些多余的、非穩(wěn)定的過(guò)渡狀態(tài)來(lái)避免競(jìng)爭(zhēng)。2022-2-28975.10.4 5.10.4 無(wú)競(jìng)爭(zhēng)

39、狀態(tài)賦值法（續(xù)）無(wú)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)賦值法（續(xù)）l 用n維編碼來(lái)滿足最大連接度為n的無(wú)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)賦值要求。l 下圖中對(duì)原始流程表中的每個(gè)狀態(tài)都用2個(gè)等效的狀態(tài)（例如A 1和A 2）來(lái)表示。2022-2-28985.10.4 5.10.4 無(wú)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)賦值法（續(xù)）無(wú)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)賦值法（續(xù)）* *二 次 激勵(lì)狀態(tài)狀 態(tài) x2x1=00 x2x1=01 x2x1=11 x2x1=10 A A A C B B A C B B C A C C B y2y10 1ACB 01ABC狀態(tài)相鄰圖二 次 激勵(lì)狀態(tài)狀 態(tài) x2x1=00 x2x1=01 x2x1=11 x2x1=10 00 00 00 10 11 11 00 10 11 11 10 00 10 10 11 l 利用非臨界竟?fàn)幈苊馀R界竟?fàn)?。把竟?fàn)幭拗圃诜桥R界竟?fàn)幹?/p>