触发器与同步时序逻辑电路优秀课件.ppt

触发器与同步时序逻辑电路第1页，本讲稿共60页触发器掌握触发器的基本类型及其状态描述了解触发器的结构与工作原理掌握触发器的基本应用电路第2页，本讲稿共60页触发器触发器（触发器（Flip-Flop）：）：具有记忆功能的逻辑单元具有记忆功能的逻辑单元双双稳稳态态门门，又又称称双双稳稳态态触触发发器器，在在两两种种状状态态下下运行的电路。运行的电路。触触发发器器保保持持自自身身状状态态，直直到到有有输输入入脉脉冲冲（触触发发），输输出出根根据据规规则则改改变变，并并保保持持此此状状态态直直到到下下一一个触发来临。个触发来临。对脉冲对脉冲边沿边沿敏感，在敏感，在边沿瞬间边沿瞬间改变状态。改变状态。四类触发器：四类触发器：RS，JK，D和和T触发器触发器第3页，本讲稿共60页锁存器锁存器（锁存器（Latch）电电平平触触发发的的存存储储单单元元，由由触触发发器器构构成成，不不同同的的是是他他的的数数据据存存储储取取决决于于输输入入时时钟钟（使使能能），它它可可以以使使输输出出状状态态不不随随输输入入端端状状态态的的变变化化而而改改变变，处处在在保保持持状状态态（如何区别触发器的保持）。（如何区别触发器的保持）。使能有效时，输出随输入改变使能有效时，输出随输入改变使能无效时，输出保持（不随输入变化）使能无效时，输出保持（不随输入变化）第4页，本讲稿共60页触发器与锁存器都具有保持都具有保持触发器保持在触发器保持在0或或1，置，置1（置位）或置（置位）或置0（复位）（复位）锁存器保持在前期锁存的输入值锁存器保持在前期锁存的输入值触发器边沿触发，在边沿瞬间改变输出，随后保持触发器边沿触发，在边沿瞬间改变输出，随后保持锁锁存存器器电电平平锁锁存存，使使能能无无效效时时，锁锁存存输输入入值值并并保保持持；有有效时，输出随输入变化。效时，输出随输入变化。第5页，本讲稿共60页RS触发器n基本基本RS 触发器触发器n同步同步RS 触发器（时钟脉冲控制的触发器（时钟脉冲控制的RS 触发器触发器）n主从主从RS 触发器触发器第6页，本讲稿共60页基本RS 触发器R=1、S=0时，则Q=1,Q=0,触发器置1（置位）R=0、S=1时，则Q=0,Q=1,触发器置0（复位）R与S状态必须相异，触发信号为S=0（R=1，称置位）或为R=0（S=1，称复位）R、S称为触发信号，在下降沿瞬间改变并使触发器保持0或1状态。R=1、S=1，Q与Q维持状态不变R=0、S=0：Q与Q维持不明确，禁止使用第7页，本讲稿共60页同步RS 触发器锁存器当CP=0时 Q3=Q4=1，触发器保持原来状态不变。当CP=1时若R=0，S=1；Q4=1，Q3=0，触发器置1；若R=1，S=0；Q3=0，Q4=1，触发器置0；若R=S=0；Q3=Q4=1，触发器状态保持不变；若R=S=1；Q3=Q4=0，触发器状态不定（Q3、Q4不可能同时置0）。第8页，本讲稿共60页同步RS 触发器锁存器第9页，本讲稿共60页D触发器锁存器当CP=1时 触发器状态随D的状态改变而改变当CP=0时Q3=Q4=1，触发器保持原来状态不变，即保持为CP下降沿以前的D的状态。第10页，本讲稿共60页D触发器锁存器QnQn+1D000011100111QnQn+1D=0D=1001101DQn+10011激励表激励表状态表状态表第11页，本讲稿共60页D触发器锁存器动作特点在控制端CP等于逻辑1期间，输出Q的状态随着输入D的改变而改变；在控制端CP等于逻辑0期间，输出Q的状态被锁存。被锁存的状态是控制信号CP从逻辑1到逻辑0转变时刻的输入D的状态。由于在CP=1时，输出和输入的关系似乎是“透明”的，所以这个锁存器也被称为透明锁存器。第12页，本讲稿共60页JK触发器JKQn+110101000Qn11Qn真值表与状态方程真值表与状态方程QnQn+1JK=00JK=01JK=11JK=100001111001状态表状态表第13页，本讲稿共60页JK触发器n激励表激励表QnQn+1JK000X011X10X111X0第14页，本讲稿共60页JK触发器当 JK=11时，在 CP=1 期间，JK 锁存器将不断空翻。能够保证触发器正常翻转的时钟脉冲的宽度应该不小于3tpd。但是，为了避免再次翻转，CP脉冲的宽度又不能大于3tpd。这个条件实际上是无法实现的。所以实际电路中只有RS锁存器和D锁存器，并不存在JK锁存器。第15页，本讲稿共60页T触发器TQn+10Qn1QnQnQn+1T=0T=1001110QnQn+1T000011101110状态表状态表激励表激励表第16页，本讲稿共60页T触发器n采用采用D触发器构成的触发器构成的T、T触发器触发器第17页，本讲稿共60页触发器的简单应用计数器计数是数字电路的一个基本功能。一个计数器通常由一组触发器构成，该组触发器按照预先给定的顺序改变其状态。同步计数器（Synchronous Counter）：所有触发器的状态改变是在同一个时钟脉冲的同一个有效边沿上发生。异步计数器（Asynchronous Counter）：计数器中的每个触发器的时钟部分或全部不同。第18页，本讲稿共60页二进制异步加法计数器（行波计数器）n计数器实际上由n个T 触发器构成。第一个T 触发器的C端连接系统时钟，其后每一级触发器都将前级触发器的输出（或输出的非）作为本级的时钟输入。第19页，本讲稿共60页二进制异步减法计数器（行波计数器）第20页，本讲稿共60页行波计数器的时钟和计数状态的关系关于行波关于行波计计数器，比数器，比较较容易混淆的是加法容易混淆的是加法计计数与减法数与减法计计数数对应对应的的时钟时钟来源以及触来源以及触发发沿沿的组合关系。通过波形图可以很方便地的组合关系。通过波形图可以很方便地确定这些问题，现将它们的组合情况列表如下：确定这些问题，现将它们的组合情况列表如下：上升沿触发下降沿触发加法计数后级时钟来自前级的后级时钟来自前级的Q减法计数后级时钟来自前级的Q后级时钟来自前级的注意在注意在应应用上表的用上表的时时候，所有触候，所有触发发器都以器都以Q 作作为计为计数器的数器的输输出。若以触出。若以触发发器的器的作为计数器的输出，则加法计数和减作为计数器的输出，则加法计数和减法计数的关系恰恰颠倒。法计数的关系恰恰颠倒。第21页，本讲稿共60页行波计数器计数过程中的不稳定暂态问题由于二进制异步计数器的的时钟信号是前后级串联的，所以到达每个触发器的时钟信号不是同时的。这也是为何将它称为异步计数器的原因。也有将它称为行波计数器（Ripple Counter）的。因为每个触发器的时钟不同步，结果造成在CP有效边沿以后的一段时刻内计数值可能发生混乱。例如，计数从7到8的转换过程，实际的转换为：01110110010000001000。第22页，本讲稿共60页寄存器（Register）寄存器由一组触发器构成，主要功能是存储数据。因为一个触发器可以存储一位二进制数，所以要存储n位二进制数，需要n个触发器。根据输入或输出的模式，可分为并行方式和串行方式。并行方式：n位二进制数一次存入或读出。只需要一个时钟脉冲即可完成数据操作，但是需要n根输入和输出数据线。串行方式：n位二进制数以每次一位、分成n次存入或读出。只需要1根输入和输出数据线，但要使用n个时钟脉冲完成输入或输出操作。将两种模式加以交叉，可以得到四种不同模式的寄存器：并行输入/并行输出；串行输入/串行输出；并行输入/串行输出以及串行输入/串行输出。第23页，本讲稿共60页寄存器（Register）并行输入并行输入/并行输出寄存器结并行输出寄存器结构和图形符号构和图形符号公共控制框第24页，本讲稿共60页移位寄存器结构和输出波形 第25页，本讲稿共60页左移与右移n一般将一个数据的最高位记为MSB（Most Significant Bit），最低位记为LSB（Least Significant Bit）。n若首先移入或移出移位寄存器的是MSB，则称该操作为左移。反之，若首先移入或移出移位寄存器的是LSB，则称该操作为右移。n具体执行哪种操作取决于最高位位置的指定。第26页，本讲稿共60页累加器（Accumulator）第27页，本讲稿共60页触发器的基本特性具有两个稳定的输出状态，可以在输入信号的作用下改变状态。所以，触发器具有记忆作用。n由于触发器是时序逻辑电路中的一个及其重要的部件，熟练掌握触发器的逻辑功能和动作特性是十分必要的。n直接运用触发器可以构成异步计数器和各种寄存器。这些单元电路广泛应用在各种电子设备和计算机中。第28页，本讲稿共60页时序电路注：这是一个一般的结构，在实际的逻辑中可以合并注：这是一个一般的结构，在实际的逻辑中可以合并某些输出和状态，也可以没有输入。某些输出和状态，也可以没有输入。输入变量输入变量输出变量输出变量状态变量状态变量（现态）（现态）状态变量状态变量（次态）（次态）第29页，本讲稿共60页同步时序电路和异步时序电路同步时序电路：记忆电路一般由触发器构成，记忆电路中所有触发器状态的变化都是在同一时钟信号操作下同时发生的。触发器的时钟信号不计在输入之内。异步时序电路：记忆电路可以由触发器构成，也可以由组合电路的反馈构成。记忆电路状态的变化不是同时发生的，可能有公共的时钟信号，也可能没有公共的时钟信号。第30页，本讲稿共60页现态与次态 以两次驱动（在同步时序逻辑中就是时钟）的间隔时间作为时序电路的定时单位，把某个间隔时刻 tk 作为“当前时刻”，将下一个间隔时刻 tk+1 称为“次时刻”。对于“当前时刻”和“次时刻”的表述，都是相对于时刻 tk 而言。当前时刻的状态为现态，次时刻的状态为次态。驱动信号第31页，本讲稿共60页时序电路的状态方程与输出方程次次态态是是输输入入与与现现态态的的函函数数（一一般般情情况况，也也可可以以无无输入）输入）输输出出是是输输入入与与现现态态的的函函数数（一一般般情情况况，也也可可以以无无输入）输入）Y 是是次次态态变变量量，通通常常是是一一个个隐隐含含的的变变量量，不不一一定定是是触触发发器器的的激激励励输输入入。只只有有记记忆忆电电路路全全部部是是 D 触触发器时，次态才与激励相同。发器时，次态才与激励相同。第32页，本讲稿共60页状态机JK触发器，触发器，Q1、Q2是现态，是现态，X是输入。是输入。Z是输出，仅是现态的函数。是输出，仅是现态的函数。次态隐含在次态隐含在J1、K1、J2、K2中。中。第33页，本讲稿共60页计数器nD 触发器，无输入，Q0 Q3 为状态同时也是输出。n次态是 D0 D3，可以通过组合逻辑显式地写出。第34页，本讲稿共60页米利（Mealy）模型某时刻的输出是该时刻的输入和电路状态的函数第35页，本讲稿共60页摩尔(Moore)模型某时刻的输出仅是该时刻电路状态的函数，与该时刻的输入无关。第36页，本讲稿共60页米利模型和摩尔模型的区别米利模型的输出直接同输入有关，所以在输入变化时，不管状态是否改变，输出立即产生变化。即输入不仅影响次态，同时影响输出。摩尔模型的输出只同状态有关，所以在整个状态保持期间保持输出不变。输入的变化只影响次态。根据上述情况，若输入与时钟同步，则两种模型的输出在整个时钟周期内均保持不变，但米利模型比摩尔模型提前一个时钟周期改变输出。若输入存在干扰，一般不会影响摩尔模型的输出，但可以影响米利模型的输出。第37页，本讲稿共60页状态转换表现态次态/输出输入1输入2输入n现态1次态11/输出11次态12/输出12次态1n/输出1n现态2次态21/输出21次态22/输出22次态2n/输出2n现态m次态m1/输出m1次态m2/输出m2次态mn/输出mn以表格的形式描述现态、输入与次态、输出的关系。米利模型的表格形式是：摩尔模型的表格形式是：现态次态 输出输入1输入2输入n现态1次态11次态12 次态1n 输出1现态2次态21次态22 次态2n 输出2现态m次态m1次态m2 次态mn 输出m第38页，本讲稿共60页状态转换图以信号流图形式显示状态转换关系。米利模型形式将输出写在转换线上，摩尔模型形式将输出写在状态圈内。米利模型 摩尔模型第39页，本讲稿共60页状态转换图的特点n状态转换图中每个状态射出的状态转换线的根数同系统输入的组合数相同，转换条件包含了所有的输入组合。例如某系统输入组合有3种：00、01和10，则无论哪个模型，每个状态射出的状态转换线都是3根，分别对应3个输入组合。这个特点常常被用来检查状态转换图的正确性。n摩尔模型的状态数通常大于米利模型的状态数。形成这个特点的原因是由于米利模型中一个状态可以对应多个输出，而摩尔模型一个状态只能对应一个输出。第40页，本讲稿共60页例自动售饮料机。可以投入1元或5角的硬币，饮料1.5元一杯。当先后投入的硬币满1元5角后，机器送出一杯饮料；当投入的硬币满2元后，机器送出一杯饮料以及送出一个5角硬币。作出上述自动售饮料机问题的状态转换图和状态转换表。分析1：输出：设Z1=1输出饮料；Z2=1输出找零。所有的输出情况为Z1Z2=00、Z1Z2=10、Z1Z2=11。输入：当前投入的币值，X1X2=00、币值为0；X1X2=01、币值为5角；X1X2=10、币值为1元。状态：记录已经投入的币值，S00、S1 5角、S2 1元。第41页，本讲稿共60页米利模型的状态图初始状态初始状态已收已收0.5元状态元状态投币投币0.5元元已收已收1元状态元状态输出饮料输出饮料投币投币1元元第42页，本讲稿共60页米利模型的状态转换表现态次态/输出Z1Z2X1X2=00X1X2=01X1X2=10S0S0/00S1/00S2/00S1S1/00S2/00S0/10S2S2/00S0/10S0/11第43页，本讲稿共60页摩尔模型分析：输出：设Z1=1输出饮料；Z2=1输出找零。所有的输出情况为Z1Z2=00、Z1Z2=10、Z1Z2=11。输入：当前投入的币值，X1X2=00、币值为0；X1X2=01、币值为5角；X1X2=10、币值为1元。状态：记录已经投入的币值，S00、S1 5角、S2 1元、S2 1.5元、S2 2元。第44页，本讲稿共60页摩尔模型的状态图初始状态初始状态已收已收0.5元状态元状态输出饮料输出饮料已收已收1.5元状态元状态第45页，本讲稿共60页摩尔模型的状态转换表现态次态输出Z1Z2X1X2=00X1X2=01X1X2=10S0S0S1S200S1S1S2S300S2S2S3S400S3S0S1S210S4S0S1S211第46页，本讲稿共60页两个模型的时序图状态：已经投入的硬币总值为状态：已经投入的硬币总值为1元元输入：再投入输入：再投入1个个5角硬币角硬币输出：一杯饮料，即输出：一杯饮料，即Z1=1米利模型的输出米利模型的输出摩尔模型的输出摩尔模型的输出第47页，本讲稿共60页摩尔模型转换为米利模型将摩尔模型状态转换表的最后一列输出去掉。在每个次态后面加上“/输出”。其中的输出对应于该次态在原模型中的输出。观察修改后的状态转换表，合并相同的状态。第48页，本讲稿共60页米利模型转换为摩尔模型米利模型转换为摩尔模型输出同类状态：所有指向某个状态的状态转换线都具有相同的输出。这种类型的状态，次态和输出是统一的，所以只要将所有指向这个状态的状态转换线上的输出改写到表示状态的圆圈中，就可以将米利模型转换为摩尔模型。输出非同类状态：指向某个状态的状态转换线具有几个不同的输出。显然这个状态转换成摩尔模型后将对应几个状态，所以按照下列步骤改画这种类型的状态：一、将此状态分成几个新状态。每个新状态对应一个输出，写在表示新状态的圆圈中。二、按照不同的输出，将原来的状态转换线分别改画成指向具有对应输出的新状态。三、原来从输出非同类状态出发的所有状态转换线，都应该在每个新状态中重新画出来，并且它们的目的状态应该与原来的相同。第49页，本讲稿共60页同步时序电路的分析根据给定的电路，确定电路的类型。列出触发器的激励方程。将激励方程代入触发器的特征方程，写出电路的状态方程。同时写出电路的输出方程。由状态方程和输出方程，列出电路的状态转换表或状态转换图。分析电路的状态转换表或状态转换图，得到电路的功能表示或者相应的时序图。如果已知电路的功能，可以通过这一步的分析，验证电路功能的正确性。第50页，本讲稿共60页例：4位二进制同步加法计数器状态方程：状态方程：第51页，本讲稿共60页时序图二进制同步加法计数器的状态方程的一般形式二进制同步加法计数器的状态方程的一般形式第52页，本讲稿共60页二进制减法计数器作业状态方程状态方程二进制减法计数器的状态方程的一般形式二进制减法计数器的状态方程的一般形式与加法计数器的差别仅在于这个与加法计数器的差别仅在于这个“非非”第53页，本讲稿共60页移位寄存器类电路单活跃（One-hot）电路单活跃电路常常用来作为状态机的状态输出单活跃电路常常用来作为状态机的状态输出第54页，本讲稿共60页同步时序电路设计设计一个同步时序电路的一般步骤 确定采用何种模型状态转换表或状态转换图 化简冗余状态状态编码 确定触发器类型，状态激励表触发器的激励方程，电路的输出方程 最终的逻辑电路图第55页，本讲稿共60页设计101序列检测电路采用摩尔模型，状态转换图：采用摩尔模型，状态转换图：已是最简状态，无需化简已是最简状态，无需化简状态编码如下：状态编码如下：S0=00，S1=01，S2=10，S3=11问题：输入序列为问题：输入序列为“101”时，输出时，输出“1”第56页，本讲稿共60页状态状态（编码）次态（编码）输出X=0X=1S0Q1Q0=0000010S1Q1Q0=0110010S2Q1Q0=1000110S3Q1Q0=1110011输入激励 J1K1，J0K0Q1Q0=00 Q1Q0=01 Q1Q0=10 Q1Q0=11X=00d，0d1d，d1d1，0dd0，d1X=10d，1d0d，d0d0，1dd1，d0状态转换表状态转换表采用采用JK触发器的状态激励表触发器的状态激励表第57页，本讲稿共60页激励函数激励函数第58页，本讲稿共60页输出函数输出函数逻辑图逻辑图第59页，本讲稿共60页设计8进制计数器作业状态转换表状态转换表状态Q2Q1Q0Q2(n+1)Q1(n+1)Q0(n+1)S0000001S1001010S2010011S3011100S4100101S5101110S6110111S7111000第60页，本讲稿共60页