异步时序逻辑电路的分析与设计

同步和异步时序逻辑电路的原理
同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路是数字电路中常见的两种
设计方式。

同步时序逻辑电路的设计原理是基于时钟信号，即在设计电路中
需要引入一个时钟信号作为同步时序电路的控制信号。

同步电路中各
个逻辑门的输入信号只能在时钟上升沿之前稳定，而在时钟上升沿后，所有逻辑门输出信号也都会变成稳定的。

同步电路的时钟控制能够确
保电路的正确性，并且在同步时序电路中，设计师只需要考虑时序问题，简化了设计流程。

异步时序逻辑电路则没有时钟信号控制。

其设计原理是基于信号
的时序间隔，该电路中每一个逻辑门的输入信号在数学“连续性”的
要求下改变其状态，没有同步电路中严格的时钟同步。

异步电路跨越
时序间隔的时间存在一定的延迟，需要设计者考虑信号传播的速度和
稳定性等问题，所以相对来说设计复杂度较高。

综上所述，同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路分别适用于不
同的应用场景，设计时需要根据具体情况进行选择。

异步时序逻辑电路的分析与设计异步时序逻辑电路是一种基于信号的到达时间和时序性的电路设计方法。

与同步时序逻辑电路不同，异步时序逻辑电路中的数据传输和处理不依赖于时钟信号，而是根据输入信号的到达顺序和时序关系来进行操作。

本文将详细介绍异步时序逻辑电路的分析与设计。

异步时序逻辑电路的分析主要包括信号流图的建立和状态表的推导。

首先，通过对输入信号的时序关系进行分析和理解，可以根据具体应用需求建立信号流图。

信号流图是一种图形化表示方式，其中包含了电路中信号的流动方式以及各个元件的逻辑功能。

在建立信号流图时，需要注意信号的输入和输出时间以及逻辑功能的实现方式，这是实现异步时序逻辑电路的关键。

在信号流图的基础上，可以根据信号的到达先后顺序推导状态表。

状态表是对电路中每个元件当前状态和下一状态的描述。

通过观察信号流图，可以确定每个元件在不同状态下的输出值，并利用这些信息进行状态表的推导。

在状态表中，可以列出元件的当前状态和下一状态的取值，并根据逻辑功能的要求来确定元件的控制信号。

异步时序逻辑电路的设计主要涉及到逻辑电路元件的选择和电路的优化。

在异步时序逻辑电路中，常用的逻辑电路元件包括触发器、门电路和编码器等。

根据实际需求，可以选择不同类型的逻辑电路元件来实现电路的逻辑功能。

在设计时，需要注意减少电路的延迟和功耗，提高电路的性能和可靠性。

可以通过选择低延迟的元件、合理布局电路和优化信号传输路径等方式来减小电路的延迟。

另外，可以采用时序检测和冗余检测等方法来增加电路的可靠性。

除了分析和设计，测试和验证是异步时序逻辑电路设计中的重要环节。

可以利用仿真软件对电路进行测试和验证，以确保电路的正确性和性能。

通过仿真可以观察电路的输入输出关系，检测是否存在冲突或错误，并进行合理的调整和优化。

总结起来，异步时序逻辑电路的分析与设计涉及到信号流图的建立、状态表的推导、元件的选择和电路的优化等方面。

通过合理的分析和设计，可以实现复杂的时序逻辑功能，并提高电路的性能和可靠性。

异步时序逻辑电路的分析与设计异步时序逻辑电路是指电路中的各个逻辑门的输出不仅仅取决于当前的输入，还取决于先前的输入和输出状态。

与同步时序逻辑电路相比，异步时序逻辑电路具有更高的灵活性和可扩展性。

在本文中，将详细介绍异步时序逻辑电路的分析与设计方法。

首先，异步时序逻辑电路的分析是指通过对电路中各个逻辑门的输入和输出状态进行推导和分析，以获取电路所实现的具体功能和工作原理。

异步时序逻辑电路通常采用状态图或状态转换表来描述其运行过程。

状态图是一个有向图，其中每个节点表示一个状态，而边表示状态之间的转换。

状态转换表则是一种矩阵形式的表示方法，其中行表示当前状态，列表示输入，表格中的元素表示输出和下一个状态的关系。

在进行异步时序逻辑电路的设计之前，通常需要明确电路所要实现的功能和要求。

在设计过程中，需要通过一系列的步骤来完成。

第一步是确定输入和输出信号的数量和类型。

输入信号是电路用来接收外部输入的信号，而输出信号是电路的输出结果。

在这一步骤中，需要明确输入和输出信号所能取的值范围以及其对应的功能。

第二步是确定状态的数量和类型。

在异步时序逻辑电路中，状态是指电路在不同时间点的输出和输入的组合。

状态的数量和类型决定了电路的复杂程度和所能实现的功能。

第三步是绘制状态图或状态转换表。

通过绘制状态图或状态转换表，可以清晰地描述电路的工作原理和功能。

其中，状态图可以直观地表示状态之间的转换关系，而状态转换表则更加直观地表示输入输出和状态的关系。

第四步是推导逻辑表达式。

通过推导逻辑表达式，可以将电路的功能转化为逻辑门的连接方式。

在这一步骤中，可以通过布尔代数和卡诺图等方法来简化逻辑表达式，以减少电路的复杂性和成本。

第五步是选取逻辑门类型。

逻辑门是构成异步时序逻辑电路的基本元件，它决定了电路的工作速度和功耗。

在选择逻辑门类型时，需要考虑到电路的功能和性能要求，以及逻辑门的延迟时间和功耗等特性。

第六步是进行逻辑门的连接和布线。

《数字逻辑与数字系统》教学大纲一、使用说明（一）课程性质《数字逻辑与数字系统》是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。

（二）教学目的通过本课程的学习，可以使学生熟悉数制与编码,逻辑函数及其化简,集成逻辑部件,中大规模集成组合逻辑构件。

掌握组合逻辑电路分析和设计，同步时序逻辑电路分析和设计，异步时序逻辑电路分析和设计；中规模集成时序逻辑电路分析和设计。

了解可编程逻辑器件，数字系统设计，数字系统的基本算法与逻辑电路实现，VHDL语言描述数字系统。

为专业课的学习打下坚实的基础。

（三）教学时数本课程理论部分总授课时数为68课时。

（四）教学方法理论联系实际，课堂讲授。

（五）面向专业计算机科学与技术专业。

二、教学内容第一章数制与编码（一）教学目的与要求通过本章学习使学生掌握数制的表示及转换，二进制数的算术运算,二进制码，原码、补码、反码。

（二）教学内容模拟信号，数字信号，数制的表示及转换，二进制数的算术运算,二进制码，原码、补码、反码。

重点与难点：数制，二进制码，逻辑运算，逻辑代数的基本定律和规则，逻辑函数的化简。

第一节进位计数制1、十进制数的表示2、二进制数的表示3、其它进制数的表示第二节数制转换1、二进制数与十进制数的转换2、二进制数与八进制数、十六进制数的转换第三节带符号数的代码表示1、真值与机器数2、原码3、反码4、补码5、机器数的加、减运算6、十进制数的补数第四节码制和字符的代码表示1、码制2、可靠性编码3、字符代码（三）教学方法与形式课堂讲授。

（四）教学时数2课时。

第二章逻辑代数与逻辑函数（一）教学目的与要求通过本章学习使学生掌握逻辑代数的基本运算,逻辑代数的基本公式、定理及规则。

逻辑函数表达式的形式与转换方法，逻辑函数的代数法及卡诺图法化简。

（二）教学内容逻辑代数的基本运算、基本公式、定理及规则。

逻辑函数表达式的形式与转换方法，逻辑函数的代数法及卡诺图法化简。

重点与难点：逻辑代数的公式、定理及规则。

5 . 1 异步时序逻辑电路模型（一）异步时序逻辑电路的分类异步时序电路可以从不同的角度进行分类。

1•冲异步时序电路和电平异步时序电路输入信号有脉冲信号和电平信号两种。

所谓电平信号是以电平的高低来表示信号；而脉冲信号是以脉冲的有无来表示信号。

根据输入信号的不同，异步时序电路又分脉脉冲时序电路和电平异步时序电路两种。

如果加到异步时序电路的输入为脉冲，则称为脉冲异步时序电路；反之，如果输入信号为电平.则称为电平异步时序电路。

2.米勒电路和莫尔电路根据输出与输入的不同关系，异步时序电路有米勒电路和莫尔电路两种类型。

假如电路的输出状态不仅与输入状态有关，还与二次状态有关，这样的异步时序电路称米勒电路；如果电路的输出状态仅与二次状态有关，而与输入状态无关，这样的异步时序电路称为莫尔电路。

（二）异步时序逻辑电路的一般结构异步时序电路由组合电路和存储电路两部分组成。

脉冲异步时序电路的存储电路常采用触发器，它可以是时钟控制触发器，也可以是基本R-S触发器。

在使用时钟控制触发器时，触发器不被统一的时钟脉冲同步，每个触发器的时钟端作为一个独立的输入端。

电平异步时序电路的存储电路采用延迟元件，它可以是外加的延迟元件，也可以利用反馈回路的附加延迟。

脉冲异步时序电路与同步时序电路的主要差别是电路的状态改变方式不同，前者在输入信号的控制下改变状态，而后者却在同一时钟脉冲控制下改变状态。

这一差别导致了脉冲异步时序电路和同步时序电路在分析和设计方法上都有若干差别。

一、5 . 2 脉冲异步时序逻辑电路脉冲异步时序电路状态的改变直接依赖于输入脉冲，即每来一个输入脉冲，电路状态发生一次变化。

由于触发器没有公共的时钟脉冲来同步，电路状态的转换将不可预测。

为了使脉冲异步时序电路可靠工作，对脉冲异步时序电路的输入信号应作如下规定：（1）不允许在两个（或两个以上）输入端同时加输入脉冲；（2）第二个输入脉冲的到来，必须在第一个输入脉冲所引起的整个电路的响应完全结束之后。

同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路1. 引言说到电路，大家可能会觉得有点儿高深莫测，其实它们就像生活中的各种小插曲，错综复杂但又充满趣味。

今天我们来聊聊两种电路：同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路。

听起来很正式吧？其实就像两位老朋友，各有各的个性，给我们的生活带来不同的滋味。

2. 同步时序逻辑电路2.1 什么是同步电路先说说同步时序逻辑电路。

想象一下，大家一起跳舞，必须跟着节拍来对吧？这就是同步电路的工作原理。

它们依靠一个时钟信号来统一行动，一切都得在这个时钟的节奏下进行。

你想想，如果没有这个节拍，大家就会乱成一团，完全没法协调。

2.2 优点与缺点同步电路的优点可多了。

首先，它们容易设计，因为所有的动作都得听从同一个“老大”——时钟。

这样一来，故障也比较容易定位，就像在大合唱里找出跑调的那个人，轻而易举！但是，当然了，凡事都有两面。

它们在速度上可能会受到限制，因为要等时钟信号到位才能开始下一步，仿佛总得等着老大下命令。

3. 异步时序逻辑电路3.1 什么是异步电路接下来，我们来聊聊异步时序逻辑电路。

这家伙就有点儿“放飞自我”的意思。

想象一下，大家随意地跳舞，没有固定的节拍，各自随心所欲，热火朝天。

这种电路不需要时钟信号，各个部分可以独立工作，就像一场即兴表演，想跳就跳，想停就停。

3.2 优点与缺点异步电路的优点就是速度快，反应灵敏。

因为没有时钟的限制，它们可以在需要的时候马上响应，特别适合处理突发事件，像是过马路时的红绿灯，红灯一亮就得停下，绿灯一闪立马走。

可是，快可不代表好，有时候这就像在一场没有指挥的音乐会上，大家都想表现，结果弄得一团糟，容易出现竞争和冲突。

4. 比较与应用4.1 各自的应用领域那么，这两种电路究竟哪种更好呢？这就要看情况了。

同步电路一般用于那些需要稳定和可靠性的地方，比如计算机和大型系统。

而异步电路则适合需要快速反应的地方，比如一些高频交易系统或者一些需要低延迟的通信设备。

同步时序电路和异步时序电路触发器是构成时序逻辑电路的基本元件，根据电路中各级触发器时钟端的连接方式，可以将时序逻辑电路分为同步时序电路和异步时序电路。

在同步时序电路中，各触发器的时钟端全部连接到同一个时钟源上，统一受系统时钟的控制，因此各级触发器的状态变化是同时的。

在异步时序逻辑电路中，各触发器的时钟信号是分散连接的，因此触发器的状态变化不是同时进行的。

8.2.1 同步时序电路设计1．同步时序电路原理说明从构成方式上讲，同步时序电路所有操作都是在同一时钟严格的控制下步调一致地完成的。

从电路行为上讲，同步电路的时序电路共用同一个时钟，而所有的状态变化都是在时钟的上升沿（或下降沿）完成的。

例如，基本的D触发器就是同步电路，当时钟上升沿到来时，寄存器把D 端的电平传到Q输出端；在上升沿没有到来时，即使D端数据发生变化，也不会立即将变化后的数据传到输出端Q，需要等到下一个时钟上升沿。

换句话说，同步时序电路中只有一个时钟信号。

2．同步电路的Verilog HDL描述同步逻辑是时钟之间存在固定因果关系的逻辑，所有时序逻辑都在同源时钟的控制下运行。

注意，在Verilog HDL实现时并不要求同一时钟，而是同源时钟。

所谓的同源时钟是指同一个时钟源衍生频率比值为2的幂次方，且初相位相同的时钟。

例如，clk信号和其同初相的2分频时钟、4分频就是同源时钟。

（1）典型的同步描述在Verilog HDL设计中，同步时序电路要求在程序中所有always块的posedge/negedge关键字后，只能出现同一个信号名称（包括同源的信号），并且只能使用一个信号跳变沿。

下面给出一个同步时序电路的描述实例。

【例8-9】通过Verilog HDL给出一个同步的与门。

上述程序比较简单，这里就不给出其仿真结果。

（2）同步复位的描述同步复位，顾名思义，就是指复位信号只有在时钟上升沿为有效电平时，才能达到复位的效果。

否则，无法完成对系统的复位工作。

课程设计报告题目：常用中规模集成电路的VHDL设计课程名称：数字逻辑实验专业班级：计算机科学与技术11级10班学号：U201114445姓名：王涛指导教师：熊自立报告日期：2013/6/18计算机科学与技术学院实验一：异步时序逻辑电路的设计一、实验目的熟悉并掌握脉冲异步时序逻辑电路的分析方法，加深对异步时序逻辑电路的理解。

掌握电平异步时序逻辑电路实验的设计方法及如何消除临界竞争。

二、实验设备与器件1.Basys2开发板2.JTAG下载电缆三、实验内容用电平异步时序逻辑电路实现下降沿出发的D触发器（无空翻）。

典型的输入输出时间图如下：X2(CP)X1(D)Z(Q)实验时先建立该电路的原始流程表及总态图。

四、实验步骤1.建立原始流程表：2.化简原始流程表：（1）隐含表找出相容行对（1，2）（1，3）（2，3）（3，4）（5，6）（6，7）（6，8）（2）作合并图，求最大相容行类：Array得最大相容类为｛（1，2，3），（3，4），（5，6，8），（6，7）｝；选择其中一个最小闭覆盖：｛（1，2，3），（4），（5，6，8），（7）｝，分别用A,B,C,D表示。

3.最简流程表状态相邻图：状态分配方案：可得二进制流程表如下：卡诺图化简得激励和输出函数的表达式：Y2的卡诺图 Y1的卡诺图Z的卡诺图5. ISPLEVER进行波形仿真发现该电路存在着竞争现象。

返回检查表达式，发现Y2、Y1都存在着“0”险象，用添加冗余项的方式消除竞争，修改其表达式如下：x1xx12+=1y2Y+2y2x1y22y1yx2+Y+=1y1x重新设计电路如下所示：用ISPLEVER仿真，得到如下波形：6.实验结果测试：下载到Basys2开发板上，按引脚连线，测试D触发器功能，D端接高电平“1”时，按下按钮给出一个下降沿时钟脉冲，输出端的灯变红，D端接低电平“0”时，按下按钮给出一个下降沿时钟脉冲，输出端的灯变绿。

与D触发器的逻辑功能吻合。