常见时序逻辑电路

目录

  • 触发器
    • D触发器
      • 最简D触发器
      • 带复位端的D触发器
    • T触发器
  • 计数器
    • 二进制计数器
    • 任意进制计数器
  • 移位寄存器
  • 序列信号发生器
  • 有限同步状态机
    • 顺序脉冲发生器
    • “11010”序列检测器

与组合逻辑电路不同，时序逻辑电路的输出不仅与当前时刻输入变量的取值有关，而且与电路的原状态（即过去的输入情况有关）。

时序逻辑电路的结构框图如下：


在这里插入图片描述

  • 与组合电路相比，时序逻辑电路有两个优点：
  1. 时序逻辑电路包括组合逻辑电路和存储电路两部分，存储电路具有记忆功能，通常由触发器组成。
  2. 存储电路的状态反馈到组合逻辑电路输入端，与外部输入信号共同决定组合逻辑电路的输出。组合逻辑电路的输出除包括外部输出外，还包含连接到存储电路的内部输出，它将控制存储电路状态的转移。
  • 时序逻辑电路按状态变化的特点，可分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路。在同步时序逻辑电路中，电路状态的变化在同一时钟脉冲作用下发生，即各触发器状态的转换同步完成。在异步时序逻辑电路中，没有统一的时钟脉冲信号，即各触发器状态的转换是异步完成的。
  • 对时序逻辑电路功能的描述方式主要有三种：逻辑方程，状态转移表和状态转移图，时序图。
  • 对时序逻辑电路的设计进行描述也有不同的方式，主要有三种：状态转移图描述，基于状态化简的结构性描述，VerilogHDL抽象描述。

触发器

触发器是时序逻辑电路的最基本电路单元，主要有D触发器、JK触发器、T触发器和RS触发器等。根据功能要求的不同，触发器还具有置位、复位、使能、选择等功能。

D触发器

最简D触发器

D触发器的逻辑符号如下所示：
在这里插入图片描述
图中D为信号输入端，clk为时钟控制端，Q为信号输出端。这种触发器的逻辑功能是：不论触发器原来的状态如何，输入端的数据D（无论D=0，还是D=1）都将在时钟clk的上升沿被送入触发器，使得Q=D。其真值表如下所示：
在这里插入图片描述
代码如下：

module DFF (q, clk, data_in);output q;input clk, data_in;reg q;always @(posedge clk)   q <= data_in;
endmodule

带复位端的D触发器

在D触发器的实际使用中，有时需要一个复位端（也称清零端）。带有复位端的D触发器的逻辑符号如下所示：
在这里插入图片描述
电路上电时，电路的逻辑处于不定状态，复位脉冲的到来将电路初始化为Q=0的状态。随后，在时钟的控制下，输入端D的数据在每个时钟上升沿被置到输出端Q。同步清0的D触发器的代码如下：

module DFF_rst (q, clk, reset, data_in);output q;input clk, reset, data_in;reg q;always @(posedge clk) if (!reset)  q <= 0;else         q <= data_in;
endmodule

异步清0的D触发器的代码如下：

module DFF_srst (q, clk, reset, data_in);output q;input clk, reset, data_in;reg q;always @(posedge clk or negedge reset)//只要接收到复位信号，立马复位if(!reset)  q <= 0;else        q <= data_in;
endmodule

可以看到，同步清0和异步清0的电路代码只是在always后的敏感向量表上有所不同。对于同步清0，并不是清0信号一变化电路马上就会被置0，清0信号有效后需等待时钟的有效边沿到来后电路才会有动作，因此不应该把清0信号写入敏感向量表中。而异步清0时，只要清0信号有效，电路就会马上更新，输出置0，因此对于异步电路，清0信号有必要写入敏感向量表中。

T触发器

T触发器的逻辑符号如下所示：
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其逻辑功能为：当时钟的有效边沿到来时，如果T=1，则触发器翻转；如果T=0，则触发器的状态保持不变。reset为复位端，异步复位，低电平有效。代码如下：

module TFF (data_out, T, clk, reset);output data_out;input T, clk, reset;reg data_out;always @(posedge clk or negedge reset)if (!reset)     data_out <= 1'b0;elseif(T)       data_out <= ~data_out;  
endmodule

计数器

计数器是应用最广泛的逻辑部件之一。计数器可以统计输入脉冲的个数，具有计时、计数、分频、定时、产生节拍脉冲等功能、
根据计数器中触发器时钟端的链接方式，分为同步计数器和异步计数器；根据计数方式分为二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器；根据计数器中的状态变化规律，分为加法计数器、减法计数器和加/减计数器。

二进制计数器

采用D触发器实现的二进制计数器的逻辑电路图如下：
在这里插入图片描述
代码如下：

module comp2bit (Q, clk, reset);output  q;input clk, reset;reg Q;always @(posedge clk or negedge reset)if (!reset)Q <= 1'b0;else   Q <= ~Q;
endmodule

任意进制计数器

对于M进制的计数器，首先应确定计数器所需触发器的个数。N个触发器对应了2的N次方个状态，其应大于M。
以十一进制计数器为例，最少需要4个触发器。采用反馈清零法设计的十一进制计数器的代码如下：

module comp_11 (count, clk, reset);output [3:0]count;input clk, reset;reg [3:0]count;always @(posedge clk)if(reset)   count <= 4'b0000;//复位elseif (count == 4'b1010)//一个技术循环结束count <= 4'b0000;elsecount <= count + 1;
endmodule

移位寄存器

移位寄存器 可以用来实现数据的串并转换，也可以构成移位计数器，进行计数、分频，还可以构成序列码发生器、序列码检测器等。
以环形移位寄存器为例，N位环形寄存器由N个移位寄存器组成，它可以实现环形移位，如下图所示：
在这里插入图片描述
其将每个寄存器的输出作为下一位寄存器的输入，并将高位寄存器的输出作为循环的输入，代码如下：

module shiftregist1 (D, clk, reset);parameter shiftregist_width = 4;output [shiftregist_width-1:0]D;//[3:0]Dinput clk, reset;reg[shiftregist_width-1:0]D;always @(posedge clk)if (!reset)D <= 4'b0000;elseD <= {D[shiftregist_width-2:0], D[shiftregist_width-1]};//D[2:0], D[3]
endmodule

序列信号发生器

序列信号发生器是能够产生一组或多组序列信号的时序电路，它可以由纯时序电路构成，也可以由包含时序逻辑和组合逻辑的混合电路构成。
以一个产生100111序列的信号发生器为例，可以采用不同的方法：

  1. 由移位寄存器构成
    采用循环移位寄存器，在电路工作前，将所需的序列码置入移位寄存器中，然后循环移位，就可以不断地产生需要的序列。由于移位寄存器输入和输出信号之间没有组合电路，不需要进行组合逻辑的反馈运算，因此所占用的电路的面积很大，结构框图如下：
    在这里插入图片描述
    代码如下：
module signal_maker (out, clk, load, D);parameter M = 6;output out;input clk, load;input [M-1:0]D;  reg [M-1:0]Q;initial     Q = 6'b100111;always @(posedge clk)if(load)    Q <= D;else        Q <= [Q[M-2:0], Q[M-1]];//移位  Q[4:0]+Q[5]assign out = Q[M-1]
endmodule
  1. 由移位寄存器和组合逻辑电路构成
    反馈移位寄存器型序列信号发生器的结构框图如下所示：
    在这里插入图片描述
    它由移位寄存器和组合反馈网络组成，从移位寄存器的某一输出端可以得到周期性的序列码。
    代码如下：
module signal_maker2 (out, clk, load, D);parameter M = 4;output out;input clk, load;input [M-1:0]D;reg [M-1:0]Q;wire w1;always @(posedge clk)//时序电路部分，移位寄存器if(load)        Q <= D;else            Q <= {Q[M-2:0], w1};assign w1 = (~Q[3])|(~Q[1]&(~Q[0]))|(Q[3]&(~Q[2]));//组合逻辑电路，反馈网络assign out = Q[M-1];
endmodule

有限同步状态机

有限状态机是时序电路的通用模型，任何时序电路都可以表示为有限状态机。

  • 根据输出信号的产生方式，有限状态机可以分为米利型（Mealy）和摩尔型（Moore）。Mealy型状态机的输出与当前状态和输入有关，Moore型状态机的输出仅依赖于当前状态，而与输入无关。结构如下所示：
    在这里插入图片描述
  • 状态机的编码方式很多，由此产生的电路也各不相同。常见的编码方式有三种：二进制编码、格雷编码和一位独热编码。
  1. 二进制编码：其状态寄存器是由触发器组成的。N个触发器可以构成2的N次方个状态。二进制编码的优点是使用的触发器个数较少，节省了资源；缺点是状态跳转时可能有多个bit（位）同时变化，引起毛刺，造成逻辑错误。
  2. 格雷编码：与二进制编码类似。格雷编码状态跳转时只有一个bit（位）发生变化，减少了产生毛刺和一些暂态的可能。
  3. 一位独热（One Hot）编码：这是对于n个状态采用n个bit（位）来编码，每个状态编码中只有一个bit（位）为1，如0001、0010、0100、1000。One Hot编码增加了使用触发器的个数，但该种编码方式为以后的译码提供了方便，能有效地节省和简化组合电路。
  • 有限状态机的描述方法有两段式和三段式两种。
    1.两段式描述方法：
//第一个进程，同步时序always块，格式化描述次态寄存器迁移到现态寄存器
always@(posedge clk or negedge rst_n)//异步复位if(!rst_n)	current_state <= IDLE;else		current_state <= next_state;//非阻塞赋值
//第二个进程，组合逻辑always模块，描述状态转移条件判断
always@(current_state or 输入信号)//电平触发beginnext_state = x;//初始化，使得系统复位后能进入正确的状态case(current_state)S1:if(...)next_state = S2;//阻塞赋值out <= 1'b1;//非阻塞逻辑...endcaseend

2.三段式描述方法：

//第一个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器迁移到现态寄存器
always@(posedge clk or negedge rst_n)//异步复位if(!rst_n)	current_state <= IDLE;else		current_state <= next_state;//非阻塞赋值
//第二个进程，组合逻辑always模块，描述状态转移条件判断
always@(current_state or 输入信号)//电平触发beginnext_state = x;//初始化，使得系统复位后能进入正确的状态case(current_state)S1:if(...)next_state = S2;...endcaseend
//第三个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器输出
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin...//case(next_state or 输入信号)S1: out1 <= 1'b1;S2: out1 <= 1'b0;default:...   //default免除综合工具综合出锁存器endcaseend

三段式并不是一定要写三个always块，如果状态机更为复杂，always块也会相应增加。

接下来以两个时序电路来说明有限同步状态机的应用。

顺序脉冲发生器

顺序脉冲发生器又称脉冲分配器，其将高电平脉冲依次分配到不同的输出上，保证在每个时钟周期内只有一路输出高电平，不同时钟上的高电平脉冲依次出现在所有输出端。
以4位顺序脉冲发生器为例，其有4路输出S0、S1、S2、S3，每路输出上高电平脉冲依次出现，输出在1000、0100、0010、0001之间循环。4位顺序脉冲发生器的状态转移图如下所示：
在这里插入图片描述
代码如下：

module state4 (OUT, clk, rst_n);output [3:0]OUT;input clk;input rst_n;reg [3:0]OUT;reg [1:0]STATE, next_STATE;always @(STATE)case(STATE)2'b00;beginOUT <= 4'b1000;next_STATE <= 2'b01;end2'b01;beginOUT <= 4'b0100;next_STATE <= 2'b10;end2'b10:beginOUT <= 4'b0010;next_STATE <= 2'b11;end2'b11;beginOUT <= 4'b0001;next_STATE <= 2'b00;endendcasealways @(posedge clk or negedge rst_n)if (!rst_n)     STATE <= 2'b00;else            STATE <= next_STATE;
endmodule

“11010”序列检测器

序列检测器就是将一个指定的序列从数字码流中检测出来。当输入端出现序列11010时，输出为1，否则输出为0。在此不考虑重复序列，即出现指定序列后就重新开始序列检测，不再考虑以前的数据。该序列检测器的状态转移图如下所示：
在这里插入图片描述
代码如下：

module seqdet (D_out, D_in, rst_n, clk);parameter IDLE = 3'd0, A = 3'd1, B = 3'd2, C = 3'd3, D = 3'd4, E = 3'd5;output D_out;input D_in, rst_n, clk;reg [2:0]state, next_state;wire D_out;assign D_out = (state == E)?1:0;always @(state or D_in)case(state)IDLE:if(D_in)   next_state = A;else       next_state = IDLE;A:  if(D_in)    next_state = B;else        next_state = IDLE;B:  if(D_in)    next_state = B;else        next_state = C;C:  if(D_in)    next_state = D;else        next_state = IDLE;D:  if(D_in)    next_state = B;else        next_state = E;E:  if(D_in)    next_state = IDLE;else        next_state = A;default:    next_state = IDLE;endcasealways @(posedge clk)state <= next_state;
endmodule

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风君子

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