第四章时序电路 Sequential circuits 综合设计 些用同步时序电路设计技术设计的专用 或常用数字电路和系统列示如下: 1.序列识别器。(前述) 例:精确识别序列0010。(即至少一个 1后开始检测) 示例:X=0010010000101110010 Z=0001001000000010000001 解:设A:收到1个或多个1。 B:1后收到0。 C:1后收到00。 D:1后收到001。 连接主转移线。(黑实线 0/0 1/0 0/0 B00○10 0/0
第四章 时序电路 Sequential Circuits 综合设计 一些用同步时序电路设计技术设计的专用 或常用数字电路和系统列示如下： 1． 序列识别器。（前述） 例：精确识别序列 0010。（即至少一个 1 后开始检测） 示例：X＝0010010000100101110010 Z＝0001001000000010000001 解：设 A：收到 1 个或多个 1。 B：1 后收到 0。 C：1 后收到 00。 D：1 后收到 001。 连接主转移线。（黑实线） A B C F D 0/0 1/0 0/1 1/0 0/0 1/0 0/0 1/0 1/0 0/0
补转移线。(黑虚线 补状态F:1后收到二个以上0。 补增加状态转移线。(兰虚线) 2.寄存器与计数器。(专门章节介绍) 3.有限状态控制器。 很多实际应用中需控制电路,其根据外部或 或电路内部产生的(如计数器的进位)结果信号 执行所希望的操作。(例:电梯,自动售货机, 等。)因其电路具有有限状态的特点,称之为有 限状态控制器( finite- state controller)或有限 状态机( finite- state machines)。 随着对各种数字系统控制器设计技术的研 究进展,对于构造用于对大数量高速度数值和逻 辑运算的通用数字系统即计算机成为时序电路 设计技术发展的必然。 构成这种数字系统自然合理的结构是将系 统分成数据处理与处理控制单元。数据处理单元 执行对数据的各种操作和传送,控制单元供给处 理单元所需的命令
补转移线。（黑虚线） 补状态 F：1 后收到二个以上 0。 补增加状态转移线。（兰虚线） 2． 寄存器与计数器。（专门章节介绍） 3． 有限状态控制器。 很多实际应用中需控制电路，其根据外部或 或电路内部产生的（如计数器的进位）结果信号 执行所希望的操作。（例：电梯，自动售货机， 等。）因其电路具有有限状态的特点，称之为有 限状态控制器（finite－state controller）或有限 状态机（finite－state machines）。 随着对各种数字系统控制器设计技术的研 究进展，对于构造用于对大数量高速度数值和逻 辑运算的通用数字系统即计算机成为时序电路 设计技术发展的必然。 构成这种数字系统自然合理的结构是将系 统分成数据处理与处理控制单元。数据处理单元 执行对数据的各种操作和传送，控制单元供给处 理单元所需的命令
数据处理单元一般称之为数据通路(道) ( data path),主要由算术逻辑单元、乘法器、 寄存器、存储器等组合电路模块构成。 控制器( controller)根据输入和处理器操 作情况序列地向处理器发出合适的控制信号以 完成任务要求。 由处理器和控制器有机结合构成称之为 CPU的中央处理单元(器)是复杂数字系统的 心脏。对高性能CPU的竞争开发演绎并继续演 绎着数字世界极其绚丽多彩的一幕。 对有限状态控制器的开发就是时序电路的 设计过程。首先确定输入输出,然后确定其需完 成的功能。控制器需完成的功能也称之为算法 ( algorithm)。算法时常以状态图的形式。 在设计控制单元或有限状态机时,常用状态 图的另一形式,称之为算法状态机( algorithmic state machine)图,简称ASM图。 算法是对于给定的序列输入电路所需精确 响应的时序步骤。ASM图就是一表示电路所要 实现算法的十分方便工具。其类似计算机编程中 的软件算法流程图
数据处理单元一般称之为数据通路（道） （data path），主要由算术逻辑单元、乘法器、 寄存器 、存储器等组合电路模块构成。 控制器（controller）根据输入和处理器操 作情况序列地向处理器发出合适的控制信号以 完成任务要求。 由处理器和控制器有机结合构成称之为 CPU 的中央处理单元（器）是复杂数字系统的 心脏。对高性能 CPU 的竞争开发演绎并继续演 绎着数字世界极其绚丽多彩的一幕。 对有限状态控制器的开发就是时序电路的 设计过程。首先确定输入输出，然后确定其需完 成的功能。控制器需完成的功能也称之为算法 （algorithm）。算法时常以状态图的形式。 在设计控制单元或有限状态机时，常用状态 图的另一形式，称之为算法状态机（algorithmic state machine）图，简称 ASM 图。 算法是对于给定的序列输入电路所需精确 响应的时序步骤。ASM 图就是一表示电路所要 实现算法的十分方便工具。其类似计算机编程中 的软件算法流程图
状态控制器设计举例。 例1:迷宫中的机器鼠。 机器鼠可前进、左转、右转,由信号Z12 控制。Z1=1,左转;Z2=1,右转;Z1=Z2=0, 前进。 机器鼠有电子鼻X,触障X=1。 设计机器鼠控制器,能遇障机动,走出迷宫。 机器鼠 迷宫 解:为使机器鼠较灵活,设计机动方案为: 无障前进;首次遇障右转,直至无障前进;二次 遇障右转,直至无障前进;再次遇障左转,直至 无障前进;循环往复。 为此,设置6个工作状态
状态控制器设计举例。 例 1:迷宫中的机器鼠。 机器鼠可前进、左转、右转，由信号 Z1Z2 控制。Z1＝1，左转；Z2＝1，右转；Z1＝Z2＝0， 前进。 机器鼠有电子鼻 X，触障 X＝1。 设计机器鼠控制器，能遇障机动，走出迷宫。 解：为使机器鼠较灵活，设计机动方案为： 无障前进；首次遇障右转，直至无障前进；二次 遇障右转，直至无障前进；再次遇障左转，直至 无障前进；循环往复。 为此，设置 6 个工作状态。 迷宫 机器鼠
状态A:无障前进,上次左转。 状态B:有障,一次右转。 状态C:无障前进,上次一次右转。 状态D:有障,二次右转。 状态E:无障前进,上次二次右转。 状态F:有障,左转。 0/00 1/01 1/01 0/00 1/01 E 0/00 原则1: AF, BC, DE, A|A/00B/01 AB,CD,EF。 BC/00B/01 CC/00D/01 原则2: DE/00D/01 AB, BC, CD, E|E/00F/10 DE,EF,AF。 F|A/00F/10
状态 A：无障前进，上次左转。 状态 B：有障，一次右转。 状态 C：无障前进，上次一次右转。 状态 D：有障，二次右转。 状态 E：无障前进，上次二次右转。 状态 F：有障，左转。 原则 1： AF，BC，DE， AB，CD，EF。 原则 2： AB，BC，CD， DE，EF，AF。 X 0 1 A B C D E F A/00 B/01 C/00 B/01 C/00 D/01 E/00 D/01 E/00 F/10 A/00 F/10 A B C D E F 1/01 0/00 0/00 1/01 1/01 0/00 0/00 1/10 1/10 0/00 0/00 1/01
蕴含图: AF B BC D DE EF ↓ AC BD CEI DFI AE 闭子图 状态分配: F3F2FI 000 F3F2 101 F1 00011110 001 OA E D F 1C B ABCDEF 010 100 代码状态表:
蕴含图： 闭子图 状态分配： F3F2 F1 00 01 11 10 0 1 A E D F C B 代码状态表： F3F2F1 A B C D E F 000 101 001 110 010 100 BF AC BD CE DF AE F AB BC CD DE EF AF
F3F 00011110 2 FIX 00 000010010000 01 101100110100 110 dddddd 101 10 001 dddddd 001 激励方程: F2=F3F2+XF2+xF3F FI=XF+FrF+XBBF 例2:可乐自动售货机。 可乐2元。只接受5角、1元硬币。可找钱。 解: ●设定输入输出信号。 设硬币接受传感信号F、T,其为1时分别 表示收到5角和1元硬币。 设输出信号R、C,其为1时分别表示发出 1筒可乐和找5角钱信号
激励方程： F3 = X F2 = F3 F2 + XF2 + X F3 F1 F1 = XF1 + F3 F1 + X F3 F2 F1 例 2：可乐自动售货机。 可乐 2 元。只接受 5 角、1 元硬币。可找钱。 解： ⚫ 设定输入输出信号。 设硬币接受传感信号 F、T，其为 1 时分别 表示收到 5 角和 1 元硬币。 设输出信号 R、C，其为 1 时分别表示发出 1 筒可乐和找 5 角钱信号。 F3F 2 F1X 00 01 11 10 00 01 11 10 000 010 010 000 101 100 110 100 110 ddd ddd 101 001 ddd ddd 001
F(收到5角) R(发出可乐) T(收到1元) 控制器 C(找钱5角) 硬币一次只能插入1枚,在积累达到2元前 可有四种情况:0、5、10、15角。因此设四态 ,B,C,D。在C态时,再插入1元硬币需找 钱5角。在各态时,如在插入硬币使接受硬币和 达到等或大于2元时,发出可乐 10/00 00/00 00/00 0人Q1/00 5 FT/RC 01/00 01/11 10/00 01/10 10 00/00 00/00 10/00 电路实现:留为作业。 注意:四种状态,只有三种单一方案。当把 00态分配给A时,只有下述三种: 0 0 0 0 D B
硬币一次只能插入 1 枚，在积累达到 2 元前 可有四种情况：0、5、10、15 角。因此设四态： A，B，C，D。在 C 态时，再插入 1 元硬币需找 钱 5 角。在各态时，如在插入硬币使接受硬币和 达到等或大于 2 元时，发出可乐。 电路实现：留为作业。 注意：四种状态，只有三种单一方案。当把 00 态分配给 A 时，只有下述三种： C（找钱 5 角） R（发出可乐） T（收到 1 元） 控制器 F（收到 5 角） 0 FT/RC 5 15 10 10/00 00/00 00/00 00/00 10/00 00/00 01/00 01/00 10/00 01/11 10/10 01/10 0 B C A D 1 0 0 Y1 Y2 1 C B A D 1 0 0 Y1 Y2 1 C D A B 1 0 0 Y1 Y2 1
讨论三种分配方案电路实现结果与状态分 配指导原则的关系。 例3:抢答器。 设计要求:三抢答键K1、K2、K3。对应三 输出Z1、Z2、Z3。控制端X。X=0三输出为0 禁止抢答。X=1允许抢答,先按键对应输出Z 为1,此后所有键失效,电路保持不变。 解 设四电路状态: So:初始态,Z1、Z2、Z3均为0。 S∷:K1键先按态,输出Z1为0。 S2:K2键先按态,输出Z2为0。 S∷K3键先按态,输出z。为0。 采用More型同步时序电路,输出和输入信 号X、K无关。 根据设计要求可列状态表如下:
讨论三种分配方案电路实现结果与状态分 配指导原则的关系。 例 3 :抢答器。 设计要求：三抢答键 K1、K2、K3。对应三 输出 Z1、Z2、Z3。控制端 X。X＝0 三输出为 0， 禁止抢答。X＝1 允许抢答，先按键对应输出 Z 为 1，此后所有键失效，电路保持不变。 解： 设四电路状态： S0: 初始态，Z1、Z2、Z3均为 0。 S1: K1 键先按态，输出 Z1为 0。 S2: K2 键先按态，输出 Z2为 0。 S3: K3 键先按态，输出 Z3为 0。 采用 Moore 型同步时序电路，输出和输入信 号 X、K 无关。 根据设计要求可列状态表如下：
X=0 X=1 PS K (k1k2k3) 中|0001010100101 2 2 2 3 3 状态分配: S0S1S2S3:00011011。 X=1 PS K (k1k2k3) d|0001010110101101 00000001101011111111 0100 1000……………10…… 100 11 Y2Y 激励函数: D2=XS,+S2+So(K,+K2)]
PS X=0 K X=1 (K1K2K3) 000 001 010 011 100 101 110 111 S0 S1 S2 S3 S0 S0 S0 S0 S0 S1 S2 S2 S3 S3 S3 S3 S1 S2 S3 状态分配： S0 S1 S2 S3：00 01 10 11。 PS X=0 K X=1 (K1K2K3) 000 001 010 011 100 101 110 111 00 01 10 11 00 00 00 00 00 01 10 10 11 11 11 11 01 10 11 Y2Y1 激励函数： ( ) 2 3 2 0 K3 K2 D = X S + S + S +