必修數(shù)電北航課件全partq

數(shù)字電路與系統(tǒng)1第五章、觸發(fā)器Part

3第五章@第五版2習(xí)題第五版5.1；5.2；5.3；5.4；5.65.9；5.11；5.12；5.145.20；5.22；5.25；5.27第五章觸發(fā)器3§5.1

基本觸發(fā)器和同步觸發(fā)器SR鎖存器電平觸發(fā)的SR觸發(fā)器§5.2

脈沖觸發(fā)的主從觸發(fā)器脈沖觸發(fā)的觸發(fā)器§5.3§5.4邊沿觸發(fā)器觸發(fā)器特性及功能轉(zhuǎn)換§5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換JK觸發(fā)器Qn

+1

=

JQn

+

KQn激勵(lì)表QnQn+1JK000×011×10×111×0狀態(tài)表JKQn+100Qn10101011Qn4§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換RS觸發(fā)器激勵(lì)表QnQn+1SR000×0110100111×0RS

”

0Qn+1

=

S

+

R

Qn狀態(tài)表SRQn+100Qn10101011X0510110X00XRS§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換D觸發(fā)器——delayQn+1

=

D狀態(tài)表DQn+10011激勵(lì)表QnQn+1D0000111001116§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換T觸發(fā)器T——toggle；T=1，翻轉(zhuǎn)；T=0，保持?？煽氐挠?jì)數(shù)觸發(fā)器T01JKQn

0011101101100100本例是脈沖觸發(fā)延遲輸出的T觸發(fā)器7§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換T觸發(fā)器Qn+1

=

T

Qn

+T

Qn激勵(lì)表QnQn+1T000011101110011100狀態(tài)表TQn+10Qn1Qn8§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換T’觸發(fā)器相當(dāng)于T=1Qn+1

=

Qn9§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換10激勵(lì)表QnQn+1SRDJKT000x00x0011011x110010x1111x01x00§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為其它觸發(fā)器Qn

+1

=

JQn

+

KQnQn+1

=

DQn+1

=

T

Qn

+T

QnQn+1

=

Qn11§5.4

觸發(fā)器的功能及其轉(zhuǎn)換Qn

+1

=

JQn

+

KQnD觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為其它觸發(fā)器Qn+1

=

DQn+1

=

T

Qn

+T

QnQn+1

=

Qn12觸發(fā)器的簡(jiǎn)單應(yīng)用代碼寄存器（register）一個(gè)觸發(fā)器可以寄存1-bit二進(jìn)制代碼清零寄存命令x313x2x1x0觸發(fā)器的簡(jiǎn)單應(yīng)用移位寄存器輸入14觸發(fā)器的簡(jiǎn)單應(yīng)用計(jì)數(shù)器（異步）T計(jì)數(shù)脈沖15低位高位觸發(fā)器的常規(guī)應(yīng)用16時(shí)序邏輯電路結(jié)構(gòu)上有反饋功能上有記憶詳見第6章…觸發(fā)器的特種應(yīng)用異步接口電路根據(jù)本地時(shí)鐘，對(duì)異步的信號(hào)（事件）進(jìn)行采樣和處理例如：（第五版[題5.21]）設(shè)Q的初始值為0，繪出CP和A信號(hào)輸入下的Q的波形“（單）事件檢查”功能17小結(jié)——本章的基本知識(shí)18觸發(fā)器特點(diǎn)：置數(shù)、保持描述觸發(fā)器邏輯功能的方法：特性表（狀態(tài)表、激勵(lì)表）、特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和波形圖按照結(jié)構(gòu)不同，觸發(fā)器可分為基本RS觸發(fā)器（直接觸發(fā)）、同步觸發(fā)器（電平觸發(fā)）、主從觸發(fā)器（主從觸發(fā)）、邊沿觸發(fā)器（邊沿觸發(fā)）根據(jù)邏輯功能的不同，觸發(fā)器可分為RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器和T’觸發(fā)器利用特性方程可實(shí)現(xiàn)不同功能觸發(fā)器間邏輯功能的相互轉(zhuǎn)換觸發(fā)器動(dòng)態(tài)特性影響觸發(fā)器速度5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象195.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象20亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象：觸發(fā)器無法在某個(gè)給定的時(shí)間段內(nèi)達(dá)到一個(gè)可確定的狀態(tài)亞穩(wěn)態(tài)期間，輸出一些中間級(jí)電平，或處于振蕩狀態(tài)；無法預(yù)測(cè)何時(shí)輸出才能穩(wěn)定到某個(gè)預(yù)期的正確電平；而且，這種無用的輸出電平可以沿信號(hào)通道向各個(gè)級(jí)聯(lián)的觸發(fā)器傳播，造成連鎖反應(yīng)。例如：在Flip-flop的決斷時(shí)間，信號(hào)沒有穩(wěn)定決斷時(shí)間——例如：setup或holdup時(shí)間決斷之后——Q是0還是1，是隨機(jī)的。5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象同步時(shí)序邏輯電路的亞穩(wěn)態(tài)問題時(shí)鐘的傳播需要時(shí)間緩解方法：例如，F(xiàn)PGA有“時(shí)鐘樹”系統(tǒng)，保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏斜在規(guī)定的范圍內(nèi)，“時(shí)鐘樹”是寶貴的布線資源。異步復(fù)位可能引起的問題所有信號(hào)難以在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)被同時(shí)復(fù)位，會(huì)產(chǎn)生不確定的狀態(tài)；復(fù)位信號(hào)與時(shí)鐘相位關(guān)系不確定或不良設(shè)計(jì)，可能會(huì)誤動(dòng)作。MTBF（Mean

Time

Between

Failures）——平均無故障時(shí)間215.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象22異步電路的亞穩(wěn)態(tài)問題數(shù)字電路設(shè)計(jì)大部分采用同步時(shí)序，但在時(shí)鐘域接口時(shí)，外部輸入信號(hào)與本地時(shí)鐘不同步，信號(hào)的輸出驅(qū)動(dòng)和輸入采樣在不同時(shí)鐘節(jié)拍下進(jìn)行。意味著：異步構(gòu)件亞穩(wěn)態(tài)不可避免，但是可以減少亞穩(wěn)態(tài)造成的錯(cuò)誤，或是降低系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)誤的敏感程度。5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象23異步電路的亞穩(wěn)態(tài)問題（續(xù)）討論：電平信號(hào)的異步采樣脈沖信號(hào)穿越時(shí)鐘域慢脈沖快脈沖控制/狀態(tài)信號(hào)穿越時(shí)鐘域大量數(shù)據(jù)穿越時(shí)鐘域**5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象電平信號(hào)異步采樣例如：雙寄存器方法異步信號(hào)被本地時(shí)鐘采樣，被兩個(gè)串聯(lián)的D觸發(fā)器寄存，D-FF1有可能輸出亞穩(wěn)態(tài)（中間電平、毛刺、振蕩），D-FF2延遲一個(gè)時(shí)鐘周期采樣，輸出信號(hào)正常切換。24例：雙寄存器采樣異步電平信號(hào)雙寄存器方案雖然可以改良輸出信號(hào)的“品相”，但額外的延遲不可避免的歧義點(diǎn)異步接口——系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面需要考慮的問題顯式事件同步、握手信號(hào)、并發(fā)信號(hào)交互協(xié)議…（部分內(nèi)容已超過數(shù)電的范疇）255.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象26脈沖信號(hào)穿越時(shí)鐘域有的時(shí)候，只需要提取脈沖信息——根據(jù)異步脈沖信號(hào)生成一個(gè)本地的脈沖信號(hào)慢脈沖脈沖寬度大于本地時(shí)鐘周期3~4倍以上；快脈沖脈沖寬度在本地時(shí)鐘周期3~4倍以下，脈沖可以很窄，但它出現(xiàn)的頻率必須低于本地時(shí)鐘。慢脈沖“穿越”的解決方案慢脈沖27輸出脈沖快脈沖“穿越”的解決方案T285.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象29控制/狀態(tài)信號(hào)穿越時(shí)鐘域由于信號(hào)與采樣時(shí)鐘的相對(duì)相位不確定，穿越時(shí)鐘域可能會(huì)存在歧義點(diǎn)，所以…系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面考慮只允許關(guān)鍵信號(hào)穿越多路信號(hào)穿越，信號(hào)之間盡量能夠獨(dú)立分解使用一般不允許穿越后的多路信號(hào)作邏輯處理5.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象控制/狀態(tài)信號(hào)穿越時(shí)鐘域系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面考慮（續(xù)）反例：由于可能存在的歧義點(diǎn)，影響信號(hào)之間時(shí)序配合關(guān)系?！?”寫狀態(tài)，“0”讀狀態(tài)；兩路脈沖穿越，但提取的脈沖信號(hào)相對(duì)相位不確定；故而，忌穿越后的多路信號(hào)作邏輯處理。CS——片選信號(hào)，RD

/WRT30反例：T31解決方法——在穿越之前先分解成獨(dú)立信號(hào)，快時(shí)鐘減小采樣誤差，“快脈沖”處理。32解決方法——在穿越之前先分解成獨(dú)立信號(hào)，快時(shí)鐘減小采樣誤差，“快脈沖”處理。335.5*

觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象34大量數(shù)據(jù)穿越時(shí)鐘域異步的FIFO一個(gè)時(shí)鐘寫入數(shù)據(jù)，另一個(gè)時(shí)鐘讀出數(shù)據(jù)，讀/寫時(shí)鐘是異步的關(guān)鍵：產(chǎn)生讀/寫地址和空/滿標(biāo)志…擴(kuò)展的話題——“critical”

的控制電路離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的控制規(guī)范（已超出本課程范疇）擴(kuò)展的話題**例如：FIFO控制器Ri+Ao+Ao-Ro+Ai+Ri-

Ro-RiRoAoAiFIFOctrlAi-STG圖使用方法：Ri作為數(shù)據(jù)有效指示信號(hào)，AO

為允許數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的觸發(fā)脈沖，上升沿觸發(fā)。注意：上面的STG圖中，紅色為外部的主動(dòng)信號(hào)，藍(lán)色為電路自動(dòng)轉(zhuǎn)換的信號(hào)。35擴(kuò)展的話題**集成電路內(nèi)部以CMOS管開關(guān)構(gòu)成的所謂“C元件”C

elementZ

n+1

=

A Z

n

+

B Z

n

+

AB36

AA

?

BA

=

BZ

nZ

n+1

=

擴(kuò)展的話題**37關(guān)于FIFO的一點(diǎn)說明對(duì)于在本地時(shí)鐘同步驅(qū)動(dòng)下的FIFO，較為簡(jiǎn)單例如：幾行Verilog

HDL語言描述但對(duì)于高速工作的FIFO如果不想受限于本地時(shí)鐘頻率