触发器与同步时序逻辑电路

时序逻辑电路分类介绍时序逻辑电路是一种用于处理时序信号的电路，它由逻辑门和存储元件组成。

时序逻辑电路按照其功能和结构的不同，可以分为多种类型。

本文将对时序逻辑电路的分类进行全面、详细、完整和深入的探讨。

一、根据功能分类1. 同步时序逻辑电路同步时序逻辑电路是指其数据在同一个时钟上升沿或下降沿进行传递和存储的电路。

这类电路广泛应用于计算机中的寄存器、时钟驱动器和状态机等。

同步时序逻辑电路具有可靠性高、稳定性强的特点。

2. 异步时序逻辑电路异步时序逻辑电路是指其数据不依赖时钟信号而进行传递和存储的电路。

这种电路在通信系统中常用于数据传输和处理，如异步串行通信接口（UART）。

异步时序逻辑电路具有处理速度快和实时性强的特点。

二、根据结构分类1. 寄存器寄存器是一种时序逻辑电路，用于存储和传递数据。

寄存器通常采用D触发器作为存储元件，可以实现数据的暂存和移位操作。

寄存器广泛应用于计算机的数据存储和寄存器阵列逻辑器件（RALU）等。

2. 计数器计数器是一种时序逻辑电路，用于生成特定的计数序列。

计数器可以按照时钟信号对计数进行增加或减少，并可以在达到指定计数值时触发其他操作。

计数器被广泛应用于时钟发生器、频率分频器和时序控制等电路中。

3. 时序控制器时序控制器是一种时序逻辑电路，用于控制其他电路的时序和操作。

时序控制器根据输入的控制信号和当前的状态，通过逻辑运算和状态转移进行运算和控制。

时序控制器被广泛应用于计算机的指令译码和状态机的设计中。

三、根据存储方式分类1. 同步存储器同步存储器是一种时序逻辑电路，用于存储和读取数据。

同步存储器是在时钟信号作用下进行数据存取的，并且数据的读取和写入操作都在时钟的上升沿或下降沿进行。

同步存储器主要包括静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）等。

2. 异步存储器异步存储器是一种时序逻辑电路，用于存储和读取数据。

与同步存储器不同的是，异步存储器的读取和写入操作不依赖时钟信号，而是由数据访问信号和存储器内部的同步电路进行控制。

《时序逻辑电路》知识要点复习一、时序逻辑电路1、时序逻辑电路：电路的输出状态不仅与同一时刻的输入状态有关，也与电路原状态有关。

时序逻辑电路具有记忆功能。

2、时序逻辑电路分类：可分为两大类：同步时序电路与异步时序电路。

（1）同步时序电路：各触发器都受到同一时钟脉冲控制，所有触发器的状态变化都在同一时刻发生。

（2）异步时序电路：各触发器没有统一的时钟脉冲(或者没有时钟脉冲)，各触发器状态变化不在同一时刻发生。

计数器、寄存器都属于时序逻辑电路。

3、时序逻辑电路由门电路和触发器组成，触发器是构成时序逻辑电路的基本单元。

二、计数器1、计数器概述：（1）计数器：能完成计数，具有分频、定时和测量等功能的电路。

（2）计数器的组成：由触发器和门电路组成。

2、计数器的分类：按数制分：二进制计数器、十进制计数器、N 进制(任意进制)计数器；按计数方式分：加法计数器、减法计数器、可逆计数器；按时钟控制分：同步计数器、异步计数器。

3、计数器计数容量（长度或模）:计数器能够记忆输入脉冲的数目，就称为计数器的计数容量（或计数长度或计数模），用 M 表示。

3 位二进制同步加法计数器：M=23=8，n 位二进制同步加法计数器：M=2n，n 位二进制计数器需要用n个触发器。

4、二进制计数器(1)异步二进制加法计数器：如下图电路中，四个JK触发器顺次连接起来，把上一触发器的Q 端输出作为下一个触发器的时钟信号，CP0=CP CP1=QCP2=Q1CP3=Q2，J=K=1J1=K1=1 J2=K2=1 J3=K3=1Q3Q2Q1Q为计数输出，Q3为进位输出，Rd 为异步复位（清0）这样构成了四位异步二进制加计数器。

在计数前清零，Q3Q2Q1Q=0000；第一个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0001；第二个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0010；第三个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0011，……，第15个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=1111，第16个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0000，并向高位输出一个进位信号，当下一个脉冲来时，进入新的计数周期。

触发器（基本的SR触发器、同步触发器、D触发器）⼀、能够存储1位⼆值信号的基本单元电路统称为触发器（Filp-Flop） 触发器是构成时序逻辑电路的基本逻辑部件。

它有两个稳定状态：“0”和“1”。

在不同的输⼊情况下，它可以被置0状态或1状态，当输⼊信号消失后，所置成的状态能够保持不变。

所以触发器可以记忆1位⼆值的信号。

根据逻辑功能的不同，触发器可以分为SR触发器、D触发器、JK触发器、T和T'触发器。

按照结构形式的不同，⼜可分基本SR触发器、同步触发器、主从触发器和边沿触发器。

其状态图：a、当触发器处在0状态，即Q = 0，若S'R' = 10或11时，触发器仍为0状态。

若S'R' = 01，触发器翻转成为1状态。

b、当触发器处在1状态，即Q = 1，若S'R' = 01或11时，触发器仍为1状态。

若S'R' = 10，触发器翻转成为0状态。

约束条件是S’R’不能同时为0。

代码实现：module RS(rst_n,r,s,q,qn);input rst_n;input r;input s;output q;output qn;reg q;reg i;always @(rst_n or q)if(!rst_n)i = 0;else if(!q)i = 0;elsei = 1;always @(rst_n or r or s)if(!rst_n)q = 0;elsecase(i)0://置0if(({r,s} == 2'b01) || ({r,s} == 2'b11))q = 0;else if(({r,s} == 2'b10))q = 1;1://置1if(({r,s} == 2'b10) || ({r,s} == 2'b11))q = 1;else if(({r,s} == 2'b01))q = 0;endcaseassign qn = ~q;endmoduleView Code仿真代码：`timescale 1ns/1nsmodule RS_top;reg rst_n;reg r;reg s;wire q;wire qn;initial beginrst_n = 0;#10;rst_n = 1;beginr = 0;s = 1;#20;r = 1;s = 1;#20;r = 1;s = 0;#20;r = 1;s = 1;#20;endendRS rs1(.rst_n(rst_n),.r(r),.s(s),.q(q),.qn(qn));endmoduleView Code仿真波形：可以看到仿真结果是对的。

触发器是数字电路中重要的元件，它能够存储和传输数字信号，被广泛用于时序电路的设计中。

在设计同步时序电路时，合理选用触发器并进行相应的设计是十分关键的。

下面将介绍基于触发器设计同步时序电路的方法和步骤。

一、了解触发器的种类和特性在设计同步时序电路之前，首先需要对常见的触发器种类及其特性有所了解。

常见的触发器包括RS触发器、D触发器、JK触发器和T触发器。

它们具有不同的特性，如时序反馈、时钟边沿触发等，设计时需要根据具体的应用场景选择合适的触发器类型。

二、确定同步时序电路的功能需求在设计同步时序电路之前，需要明确电路的功能需求，包括输入信号的类型和频率、输出的预期行为等。

通过仔细分析功能需求，可以确定所需触发器的类型和数量，为后续设计提供指导。

三、进行触发器的选型和布局根据功能需求，选用合适的触发器类型，并进行布局设计。

在布局过程中，需要考虑触发器之间的相互影响、时钟信号的分布等因素，确保电路的稳定性和可靠性。

四、进行逻辑设计和时序分析在确定触发器的选型和布局后，进行逻辑设计和时序分析。

通过逻辑设计，确定各个触发器之间的逻辑关系和信号传输路径；通过时序分析，评估电路的时序性能，包括时钟周期、延迟时间等参数。

五、进行仿真和验证完成逻辑设计和时序分析后，进行仿真和验证。

利用仿真工具对电路进行验证，检查电路的功能是否符合设计要求，以及时序性能是否满足预期。

六、进行布线和布局设计在仿真和验证通过后，进行布线和布局设计。

根据实际的电路板布局要求，对电路进行合理的布线和布局设计，考虑信号传输的稳定性和抗干扰能力。

七、进行电路实现和调试完成布线和布局设计后，进行电路的实现和调试。

按照设计要求进行电路的焊接和连接，通过实际测试和调试，确保电路的稳定性和可靠性。

八、进行性能评估和优化进行电路性能的评估和优化。

通过实际测试和数据分析，评估电路的性能指标，对电路进行优化，以满足实际应用的需求。

总结：基于触发器设计同步时序电路的方法和步骤，需要从了解触发器的种类和特性开始，逐步确定功能需求，进行选型和布局设计，进行逻辑设计和时序分析，进行仿真和验证，进行布线和布局设计，进行电路实现和调试，最后进行性能评估和优化。

第8章触发器和时序逻辑电路及其应用习题解答8.1 已知基本RS 触发器的两输入端D S 和D R 的波形如图8-33所示，试画出当基本RS 触发器初始状态分别为0和1两种情况下，输出端Ｑ的波形图。

图8-33 习题8.1图解：根据基本RS 触发器的真值表可得：初始状态为0和1两种情况下，Ｑ的输出波形分别如下图所示：习题8.1输出端Ｑ的波形图8.2 已知同步RS 触发器的初态为0，当S 、R 和CP 的波形如图8-34所示时，试画出输出端Ｑ的波形图。

矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

图8-34 题8.2图解：根据同步RS 触发器的真值表可得：初始状态为0时，Ｑ的输出波形分别如下图所示：习题8.2输出端Ｑ的波形图8.3 已知主从JK 触发器的输入端CP 、J 和K 的波形如图8-35所示，试画出触发器初始状态分别为0时，输出端Ｑ的波形图。

聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

图8-35 习题8.3图解：根据主从JK 触发器的真值表可得：初始状态为0情况下，Ｑ的输出波形分别如下图所示：图所示：习题8.3输出端Ｑ的波形图的波形图8.4 已知各触发器和它的输入脉冲CP 的波形如图8-36所示，当各触发器初始状态均为1时，试画出各触发器输出Ｑ端和Q 端的波形。

残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

图8-36 习题8.4图解：根据逻辑图及触发器的真值表或特性方程，且将驱动方程代入特性方程可得状态方程。

即：（a ）J ＝K ＝1；Ｑn ＋1＝n Ｑ，上升沿触发酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

（ｂ）J ＝K ＝1；Ｑn ＋1＝n Ｑ， 下降沿触发下降沿触发（ｃ）K ＝0，J ＝1；Ｑn ＋1＝J n Ｑ＋K Ｑn ＝1，上升沿触发，上升沿触发 （ｄ）K ＝1，J ＝n Ｑ；Ｑn ＋1＝J nＱ＋K Ｑn ＝n Ｑn Ｑ＋０·Ｑn ＝n Ｑ，上升沿触发，上升沿触发 （ｅ）K ＝Ｑn ，J ＝n Ｑ；Ｑn ＋1＝J n Ｑ＋K Ｑn ＝n Ｑn Ｑ＋０＝n Ｑ，上升沿触发，上升沿触发（ｆ）K ＝Ｑn ，J ＝n Ｑ；Ｑn ＋1＝J n Ｑ＋K Ｑn ＝n Ｑn Ｑ＋０＝nＱ，下降沿触发，，下降沿触发， 再根据边沿触发器的触发翻转时刻，可得当初始状态为1时，各个电路输出端Ｑ的波形分别如图（a ）、（b ）、（c ）、（d ）、（e ）和（f ）所示，其中具有计数功能的是：（a ）、（b ）、（d ）、（e ）和（f ）。