时序逻辑电路设计
时序逻辑电路的设计方法
时序逻辑电路的设计方法时序逻辑电路是一类通过内部的记忆元件来实现存储功能的数字电路，它能够根据输入信号的时序变化来决定输出信号的状态。
常见的时序逻辑电路包括时钟发生器、时钟分配器、触发器、计数器等。
在设计时序逻辑电路时，需要考虑到电路的功能要求、时序要求、稳定性和可靠性。
本文将介绍时序逻辑电路的设计方法。
1.确定功能要求：首先需要明确时序逻辑电路的功能要求，即输入信号和输出信号之间的逻辑关系。
可以通过真值表、状态转换图、状态方程等方式进行描述。
根据功能要求，可以确定电路中需要使用到的逻辑门、触发器等元件。
2.确定时序要求：在时序逻辑电路中，输入信号的变化必须满足一定的时序要求，通常需要使用时钟信号来进行同步控制。
时钟信号是一个周期性的信号，控制电路在时钟的上升沿或下降沿进行状态的改变。
时序要求还包括时序逻辑电路在不同输入组合下的稳态和状态转换时的时间要求。
3.设计电路结构：根据功能要求和时序要求，可以确定时序逻辑电路的整体结构。
电路结构的设计包括将逻辑元件(例如逻辑门、触发器)按照特定的方式连接起来，以实现所需的功能。
常见的电路结构包括级联结构、并行结构、环形结构等。
4.选择逻辑元件：根据电路的功能和时序要求，选择合适的逻辑元件来实现电路的功能。
常见的逻辑元件包括与门、或门、非门、异或门等。
触发器是时序逻辑电路的核心元件，常用的触发器包括D触发器、JK触发器、T触发器等。
5.进行逻辑功能实现：将所选择的逻辑元件按照电路结构进行连接，并完成时序逻辑电路的逻辑功能实现。
这一步可以使用绘图工具进行电路图的绘制，也可以通过硬件描述语言(HDL)进行电路的逻辑设计。
6.时序优化：对设计的时序逻辑电路进行时序优化。
时序优化可以通过调整逻辑元件的连接方式、引入时序优化电路等方式来提高电路的性能和可靠性。
时序优化的目标是尽可能满足时序要求，减少信号传输延迟和功耗。
7.进行电路仿真和验证：对设计的时序逻辑电路进行仿真和验证。
第4章 时序逻辑电路设计
1模型
时序电路按其状态的改变方式不同，可分为同 步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路两种，在 图4.5中，当CLK1与CLK2为相同信号时，该 电路为同步电路；当CLK1与CLK2为不同信号 时，该电路为异步电路。
output q;
reg
q;
always@(posedge clk or posedge rst)
begin
if(rst==1’b1)
q<=1’b0;
else if(en==1’b1)
q<=data;
else ;
end
endmodule
带同步复位、上升沿触发的触发器
module dff_synrst(data,rst,clk,q); input data,rst,clk; output q; reg q; always@(posedge clk) begin if(rst==1’b1) q<=1’b0; else q<=data; end
本设计要求用仿真和测试两种手段来验证 计数器的功能。实验时，可以通过修改十进 制计数器的设计得到六进制、100进制计数器。
三、设计要求
(1) 完成各模块的Verilog HDL设计编码； (2) 进行功能仿真； (3) 下载并验证计数器功能； (4) 如果60进制计数器要求用6进制和10进制
计数器搭建电路，请画出设计连接图，并 完成设计编码和验证。
else q<=data; end endmodule
带异步复位和置位、上升沿触发的触发器
module dff_asynrst(data,rst,set,clk,q);
时序逻辑电路设计
时序逻辑电路设计
时序电路设计又称时序电路综合，它是时序电路分析的逆过程，即依据给定的规律功能要求，选择适当的规律器件，设计出符合要求的时序规律电路，对时序电路的设计除了设计方法的问题还应留意时序协作的问题。
时序规律电路可用触发器及门电路设计，也可用时序的中规模的集成器件构成，以下我们分别介绍它们的设计步骤。
1.用SSI器件设计时序规律电路
用触发器及门电路设计时序规律电路的一般步骤如图所示。
（1）由给定的规律功能求出原始状态图：首先分析给定的规律功能，从而求出对应的状态转换图。
这种直接由要求实现的规律功能求得的状态转换图叫做原始状态图。
（2）状态化简：依据给定要求得到的原始状态图很可能包含有多余的状态，需要进行状态化简或状态合并。
状态化简是建立在状态等价这个概念的基础上的。
（3）状态编码、并画出编码形式的状态图及状态表：在得到简化的状态图后，要对每一个状态指定1个二进制代码，这就是状态编码（或称状态安排）。
（4）选择触发器的类型及个数：
（5）求电路的输出方程及各触发器的驱动方程：依据编码后的状态表及触发器的驱动表可求得电路的输出方程和各触发器的驱动方程。
（6）画规律电路，并检查自启动力量。
2.用MSI中规模时序规律器件构成时序规律电路
用中规模时序规律器件构成的时序功能电路主要是指用集成计数器构成任意进制计数器。
构成任意进制计数器的方法有两种：一种是置数法，另一种是归零法。
时序逻辑电路设计原则
时序逻辑电路设计原则时序逻辑电路是数字电路的一种重要类型，广泛应用于计算机、通信、自动化等领域。
时序逻辑电路的设计质量直接影响着电路的可靠性和性能。
为了确保时序逻辑电路的正确性和高效性，设计时需要遵循一些基本原则。
一、时序逻辑电路概述时序逻辑电路是基于时钟信号进行运算和控制的电路，其输出信号的状态取决于输入信号和时钟脉冲的到达时间。
时序逻辑电路包括寄存器、触发器、计数器、时钟分频器等。
二、正确设计时序逻辑电路的原则1. 合理设置时钟信号：时序逻辑电路的运行是基于时钟信号的控制，时钟信号的频率和占空比需要合理设置。
频率过高会导致电路响应不及时，频率过低会导致电路性能下降。
2. 考虑时钟延迟：时钟信号在电路中传输需要一定的时间，这个过程称为时钟延迟。
在设计时需要考虑时钟延迟对电路性能的影响，合理控制时钟延迟的范围。
3. 确定最长延迟路径：在时序逻辑电路中，存在一条延迟最长的信号传输路径，称为最长延迟路径。
在设计时需要重点考虑最长延迟路径，以确保电路的时序正确。
4. 避免冒险现象：冒险是指在时序逻辑电路中出现不确定的状态转换现象，会导致电路输出结果不可靠。
在设计时需要采取合适的技术措施来避免冒险现象的发生。
5. 使用同步触发器：同步触发器能够根据时钟信号同步进行状态转换，减少电路中的不确定性。
在设计时应优先选择使用同步触发器。
6. 划分模块边界：为了提高电路的可维护性和可扩展性，设计时应合理划分模块边界。
每个模块负责特定的功能，使用接口进行通信，降低模块之间的耦合度。
7. 采用流水线技术：流水线是一种将复杂任务划分为多个子任务并行执行的技术。
在设计时可以采用流水线技术提高时序逻辑电路的运行速度。
8. 进行时序分析：在设计结束后，需要进行时序分析来验证设计的正确性。
通过时序分析可以检查电路运行时的时间序列，确定电路的性能和正确性。
三、时序逻辑电路设计实例以设计一个基本的时序逻辑电路为例，假设要设计一个计数器，能够实现从0到9的循环计数功能。
数字电路与逻辑设计第5章时序逻辑电路
(b) 74194构成扭环形计数器
Q and A Q ：电路是否具备自启动特性？请检验。
77
➢ 检验扭环形计数器的自启动特性
模值M＝2n=2×4=8 状态利用率稍高；环 形计数器和扭环形计 数器都具有移存型的 状态变化规律，但它 们都不具有自启动性
10
分析工具 常见电路
状态转移真值表 状态方程 状态转移图 时序图
数码寄存器 移位寄存器 同步计数器 异步计数器
11
5.2.1 时序逻辑电路的分析步骤
12
例1:分析图示时序逻辑电路
解 ➢ 1. 写激励方程:
13
➢ 2. 写状态方程和输出方程:
根据JK触发器特性方程：Qn1 J Qn K Qn
LD
置入控制输入
CP
时钟输入
CR
异步清0输入
CTT ，CTP 计数控制输入
输出端子
Q0～Q3 数据输出
CO
进位输出
CO
Q3n
Q
n 2
Q1n
Q0n
26
➢ 功能表:
27
2.十进制同步计数器（异步清除）74160
➢ 逻辑符号: ➢ 功能表:
CO Q3n Q0n
28
3.4位二进制同步计数器（同步清除）74163
51
1.二-五-十进制异步计数器7490
52
CT7490： 2-5-10进制异步计数器
4个触发器（CP1独立触发FF0实现二分频，
CP2独立触发FF1、FF2、FF3构成的五分频计数器）
异步清0输入 R01、 R02
异步置9输入 S91、S92
可实现 8421BCD 和 5421BCD计数
时序逻辑电路的设计与实现
时序逻辑电路的设计与实现时序逻辑电路是数字电路中的一种重要类型，它可以根据输入信号的变化和先后顺序，产生相应的输出信号。
本文将介绍时序逻辑电路的设计与实现，并探讨其中的关键步骤和技术。
一、概述时序逻辑电路是根据时钟信号的变化产生输出信号的电路，它可以存储信息并根据特定的时序条件进行信号转换。
常见的时序逻辑电路包括触发器、计数器、移位寄存器等。
二、时序逻辑电路的设计步骤1. 确定需求：首先需要明确所要设计的时序逻辑电路的功能和性能需求，例如输入信号的种类和范围、输出信号的逻辑关系等。
2. 逻辑设计：根据需求，进行逻辑设计，确定逻辑门电路的组合方式、逻辑关系等。
可以使用真值表、状态转换图、状态表等方法进行设计。
3. 时序设计：根据逻辑设计的结果，设计时序电路，确定触发器的类型和触发方式，确定时钟信号的频率和相位，以及信号的启动和停止条件等。
4. 电路设计：将逻辑电路和时序电路整合，并进行布线设计。
通过选择合适的器件和元器件，设计稳定可靠的电路。
5. 功能验证：对设计的时序逻辑电路进行仿真验证，确保电路的功能和性能符合设计要求。
三、时序逻辑电路的实现技术1. 触发器：触发器是时序逻辑电路的基本组成部分，常见的触发器有RS触发器、D触发器、T触发器等。
通过组合和串联不同类型的触发器，可以实现不同的功能。
2. 计数器：计数器是一种特殊的时序逻辑电路，用于计数和记录输入脉冲信号的次数。
常见的计数器有二进制计数器、十进制计数器等。
3. 移位寄存器：移位寄存器是一种能够将数据向左或向右移位的时序逻辑电路。
它可以在输入端输入一个位串，随着时钟信号的变化，将位串逐位地向左或向右移位，并将移出的位存储起来。
四、时序逻辑电路的应用领域时序逻辑电路广泛应用于数字系统中，例如计算机中的控制单元、存储器等。
它们在数据处理、信息传输、控制信号处理等方面发挥着重要作用。
总结：时序逻辑电路的设计与实现是一项复杂而重要的任务。
在设计过程中，需明确需求、进行逻辑设计和时序设计，并通过合适的触发器、计数器和移位寄存器等元件来实现功能。
时序逻辑电路的基本设计步骤
时序逻辑电路的基本设计步骤时序逻辑电路是数字电路的重要组成部分，它根据时钟信号的变化控制不同的输出状态。
时序逻辑电路的设计需要遵循一定的步骤，下面将介绍时序逻辑电路的基本设计步骤。
一、确定电路功能首先需要明确电路的功能，即输入和输出之间的关系。
这一步需要明确输入信号的种类和电路对输入信号的处理方式，以及输出信号的种类和电路对输出信号的生成方式。
二、建立状态转移图状态转移图是描述电路状态变化的图形化表示，它包括状态和状态之间的转移关系。
在建立状态转移图时，需要明确每个状态的含义和状态之间的转移关系，以便后续的电路设计。
三、建立状态表状态表是状态转移图的一种表格形式，它列出了所有可能的输入和输出组合以及对应的状态转移关系。
在建立状态表时，需要根据输入信号和状态转移图确定每个状态的输入、输出和转移条件。
四、设计电路逻辑方程在确定了状态表后，需要根据状态表设计电路的逻辑方程。
逻辑方程是根据输入信号、状态和输出信号之间的关系描述电路行为的数学表达式。
可以使用布尔代数等数学工具来设计电路的逻辑方程。
五、选择适当的电路元件根据电路的逻辑方程和输入输出的特性，需要选择适当的电路元件来实现电路功能。
常用的电路元件包括门电路、触发器、计数器等。
六、进行电路实现在选择了适当的电路元件后，需要进行电路实现。
电路实现可以使用数字集成电路或可编程逻辑器件等。
需要根据电路的逻辑方程和输入输出特性来进行电路的布线和连接。
七、进行电路测试在完成电路实现后，需要进行电路测试。
电路测试可以通过模拟测试或实际测试来进行。
在测试过程中需要检查输入输出是否符合电路设计要求，并对可能存在的故障进行排除。
八、进行电路优化在进行电路测试后，需要对电路进行优化。
电路优化可以通过简化逻辑方程、减少电路元件数量等方式来实现。
优化后的电路可以提高电路的性能和可靠性。
以上是时序逻辑电路的基本设计步骤。
在进行时序逻辑电路的设计时，需要按照以上步骤进行，以确保电路的正确性和可靠性。
时序逻辑电路的设计 数电课件
例6.5.1 设计一个按自然态序变化的7进制同步加法计数器，计数规则为逢7进1，并产生 一个进位输出。
解：
1. 建立初始状态图
2. 状态化简 7进制计数器应有7个状态，已经最简。
3. 状态分配（已完成）
4. 触发器的个数
由于 22 7，所2以3 选择3个触发器。
5. 方程组 Ⅰ. 时钟方程组
Ⅰ. 设电路开始处于初始状态为S0。 Ⅱ. 第一次输入1时，由状态S0转入状态S1，并输出0。 Ⅲ. 若继续输入1，由状态S1转入状态S2，并输出0。 Ⅳ. 如果仍接着输入1，由状态S2转入状态S3，并输出1。 Ⅴ. 此后若继续输入1，电路仍停留在状态S3，并输出1。 Ⅵ. 电路无论处在什么状态，只要输入0，都应回到初始状态，并输出0，以便重新计数。
D2
Q1n
4. 检查电路能否自启动 将无效状态110，111代入输出、状态方程计算
可见电路能够自启动。
返回
0
Qn1 2
Q2nQ1nQ0n
Q2n Q1n
0
可见111的次态为有效状态000，电路能够自启动。
2. 状态化简
所得初始状态图中，状态S2和S3等价。因为它们在输入为1时输出都为1，且都转换到 次态S3；在输入为0时输出都为0，且都转换到次态S0。所以它们可以合并为一个状态，合 并后的状态用S2表示。
Ⅱ. 多个等价状态可以合并成一个状态；
3. 进行状态分配，求编码后的状态图。
Ⅰ. 所谓状态分配，是指对 个状态变n量可表示的 个状态组合如何2分n 配给系统的 个
状态
的过m程；
S0，S1，L ，Sm1
2n1 m 2n
2n 1! Ku 2n m ! n!
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（2）用VHDL描述异步复位信号
异步复位信号描述1
（2）用VHDL描述异步复位信号
（2）用VHDL描述同步复位信号
程序说明： 1.本例为一个五进制减一计数器。 2.程序执行过程：如果复位信号reset=‘0’时， 计数器的初始状态等于零。而与时钟是否处在上 升沿无关。 3.而计数状态变化只能在时钟上升沿有效时才能 执行。
寄存器就是一组可储存二进制数的触 发器，每个触发器都可储存一位二进 制数。
6.8 基本数码寄存器
数据寄存器：当时钟有效边沿到达时， 一组触发器的输入端同时移入各触发 器的输出端，时钟撤销后各触发器的 输出不变，直到下一个有效边沿到来 时输入端数据才会有变化。
移位寄存器：具有移位功能的寄存器。
基本计数器
基本计数器
同步清零的计数器
同步清零的计数器
同步清零的可逆计数器
同步清零的可逆计数器
同步预置数的计数器
同步预置数的计数器
clk clr load en din Q
带进制的计数器
带进制的计数器
6.8 基本数码寄存器
数字系统中，经常要用到可以存放二 进制数据的部件，这种部件称为数据 寄存器。
（1）用VHDL描述同步复位信号
同步复位信Leabharlann 描述2（1）用VHDL描述同步复位信号
（1）用VHDL描述同步复位信号
程序说明： 1.本例为一个五进制减一计数器。 2.程序中使用了count<=count-1语句执行 减一计数操作，而信号count为STD_LOGIC 类型，所以程序调用了 STD_LOGIC_UNSIGNED程序包，该程序包 中定义了STD_LOGIC类型数据与整数相加减 的操作。
6.6 JK触发器
6.6 JK触发器
6.7 计数器
数字系统中经常需要对脉冲的个数进 行计数，以实现数字测量、状态控制 和数据运算等。
计数器就是完成这一功能的逻辑器件， 常用于数/模转换、计时、频率测量 等。
6.7 计数器
计数器按照工作原理和使用情况可分 为很多种类，如基本计数器、带清零 端的计数器、能并行预加载初值的计 数器、各种进制的计数器等。
2.使用Wait Until语句后，不必列出敏感信号。
（2）时钟信号不出现在敏感信号中
时钟信号描述6
（2）时钟信号不出现在敏感信号中
6.2 用VHDL描述复位信号的方 法
• 在时序逻辑电路中，初始状态应由复位信 号来设置，根据复位信号对电路复位的操 作不同，可分为同步复位和异步复位。
（1）用VHDL描述同步复位信号
6.4 D触发器
6.4 D触发器
6.4 D触发器
6.4 D触发器
说明：程序用if语句描述D触发器， 如果复位信号reset=‘1’，置位信 号set=‘0’，则触发器被清0；如 果reset=‘0’，置位信号 set=‘1’，则触发器被置1；如果 时钟上升沿到来，触发器更换新的数 据。
6.5 T触发器
时钟信号描述2
（1）时钟信号出现在敏感信号中
时钟信号描述3
（1）时钟信号出现在敏感信号中
（1）时钟信号出现在敏感信号中
程序说明：
1.rising_edge(clk)语句描述的是时钟上升沿， 用此语句描述时钟上升沿，clk数据类型必须 是STD_LOGIC数据类型。
2.在STD_LOGIC_1164程序包中定义了函数 rising_egde。
6.3 RS触发器
qb
q
&
&
a
b
r
s
6.3 RS触发器
6.3 RS触发器
6.3 RS触发器
说明：q和qb定义为buffer类型，而非out 类型。如果定义为out类型，就不能直接反 馈到另一边的输入端；而定义为buffer型端 口的信号可再次返回到设计实体本身结构体 内作为另一边的输入信号使用。
第6章 时序逻辑电路设计
6.1 用VHDL描述时钟信号的方法 6.2 用VHDL描述复位信号的方法 6.3 RS触发器 6.4 D触发器 6.5 T触发器 6.6 JK触发器 6.7 计数器
第6章 时序逻辑电路设计
6.8 基本数码寄存器 6.9 串入/串出移位寄存器 6.10 同步预置数串行输出移位寄存器 6.11 循环移位寄存器 6.12 6位双向移位寄存器 6.13 状态机
6.1 用VHDL描述时钟信号的方 法
• 在时序逻辑电路中，使输出信号发生变化 的推动因素就是时钟信号，所以在时序逻 辑电路中，时钟信号显得尤为重要，因此 在用VHDL描述时序逻辑电路时，必须要对 时钟信号进行描述。
（1）时钟信号出现在敏感信号中
时钟信号描述1
（1）时钟信号出现在敏感信号中
（1）时钟信号出现在敏感信号中
同步复位信号描述1
（1）用VHDL描述同步复位信号
（1）用VHDL描述同步复位信号
程序说明： 1.本例为一个五进制减一计数器。 2.程序执行过程：如果时钟上升沿有效，复位信 号reset=‘0’时，计数器的初始状态等于零。 也即只有时钟信号上升沿有效时，同步复位才能 执行。 3.计数状态变化也只能在时钟上升沿有效时才能 执行。
（1）时钟信号出现在敏感信号中
时钟信号描述4
（2）时钟信号不出现在敏感信号中
时钟信号描述5
（2）时钟信号不出现在敏感信号中
（2）时钟信号不出现在敏感信号中
程序说明：
1.程序利用Wait Until语句来描述时钟上升沿， 其含义是clk当前的值不是‘1’，则保持输出 的原值不变，直到clk变为‘1’时，对q重新 赋值更新。
在计数器中，常常会用到T触发器和 T’触发器，而集成触发器产品中并 没有这两种类型的电路，它们主要是 用来简化集成计数器的逻辑电路。
T触发器是指根据T端输入信号的不 同，在时钟脉冲CP作用下具有翻转 和保持功能的电路。
6.5 T触发器
方法一
6.5 T触发器
方法二
6.5 T触发器
6.6 JK触发器
（2）用VHDL描述异步复位信号
异步复位信号描述2
（2）用VHDL描述异步复位信号
（2）用VHDL描述同步复位信号
程序说明： 1.本例为一个五进制减一计数器。 2.程序执行过程：如果复位信号reset=‘0’时， 计数器的初始状态等于零。而与时钟是否处在上 升沿无关。 3.而计数状态变化只能在时钟上升沿有效时才能 执行。