数字电路-时序

数电基础：时序逻辑电路虽然每个数字电路系统可能包含有，但是在实际应⽤中绝⼤多数的系统还包括，我们将这样的系统描述为时序电路。

时序电路是由最基本的加上反馈逻辑回路（输出到输⼊）或器件组合⽽成的电路，与最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。

1. 简介是数字逻辑电路的重要组成部分,时序逻辑电路⼜称,主要由 存储电路 和 组合逻辑电路 两部分组成。

它和我们熟悉的其他电路不同,其在任何⼀个时刻的输出状态由当时的输⼊信号和电路原来的状态共同决定,⽽它的状态主要是由存储电路来记忆和表⽰的。

同时时序逻辑电路在结构以及功能上的特殊性,相较其他种类的数字逻辑电路⽽⾔,往往具有难度⼤、电路复杂并且应⽤范围⼴的特点 。

在数字电路通常分为和时序逻辑电路两⼤类，组合逻辑电路的特点是输⼊的变化直接反映了输出的变化，其输出的状态仅取决于输⼊的当前的状态，与输⼊、输出的原始状态⽆关，⽽是⼀种输出不仅与当前的输⼊有关，⽽且与其输出状态的原始状态有关，其相当于在组合逻辑的输⼊端加上了⼀个反馈输⼊，在其电路中有⼀个存储电路，其可以将输出的状态保持住，我们可以⽤下图的框图来描述时序电路的构成。

从上⾯的图上可以看出，其输出是输⼊及输出前⼀个时刻的状态的函数，这时就⽆法⽤组合逻辑电路的函数表达式的⽅法来表⽰其输出函数表达式了，在这⾥引⼊了现态（Present state)和次态（Next State)的概念,当现态表⽰现在的状态（通常⽤Qn来表⽰），⽽次态表⽰输⼊发⽣变化后其输出的状态 （通常⽤Qn+1表⽰），那么输⼊变化后的输出状态表⽰为Qn+1=f(X,Qn)，其中：X为输⼊变量。

组合电路和存储元件互联后组成了时序电路。

存储元件是能够存储信息的电路。

存储元件在某⼀时刻存储的⼆进制信息定义为该时刻存储元件的状态。

时序电路通过其输⼊端从周围接受⼆进制信息。

时序电路的输⼊以及存储元件的当前状态共同决定了时序电路输出的⼆进制数据，同时它们也确定了存储元件的下⼀个状态。

数字电路时序设计时序设计是数字电路设计中的重要部分，它负责处理和控制电路中的时序信号。

时序设计不仅涉及到时钟信号的产生和传播，还包括时序逻辑电路的设计和时序约束的建立。

本文将介绍数字电路时序设计的基本原理和常用技术手段。

一、时序设计的基本原理时序设计是指在数字电路中，通过合理地控制信号的时间顺序和时机，实现对电路的各种操作和功能的精确控制。

其基本原理包括以下几点：1. 时钟信号的产生和传播：时钟信号是数字电路中重要的时序信号，它的产生和传播需要考虑到时钟频率、时钟相位、时钟的稳定性等因素。

时钟信号的产生可以通过晶体振荡器、计数器等电路来实现；时钟信号的传播则需要通过时钟树网络和时钟分配策略来保证时钟信号的稳定性和准确性。

2. 时序逻辑电路的设计：时序逻辑电路是指在数字电路中，根据时钟信号的触发沿或边沿来控制电路中的状态变化和信号传输的电路。

时序逻辑电路的设计需要考虑到寄存器、计数器、状态机等电路的选择和配置，以及触发器的使用和时序逻辑的优化等方面。

3. 时序约束的建立：时序约束是指在时序设计中，对时钟信号的频率、占空比、时钟关系等要求进行具体规定和约束。

时序约束的建立需要根据实际应用需求和电路特性来确定，以确保电路的时序性能符合设计要求，例如保证数据的正确性、减少功耗等。

二、常用的时序设计技术手段1. 同步时序设计：同步时序设计是指通过时钟信号来同步电路的工作，即电路中的状态变化和信号传输仅在时钟边沿或触发沿上发生。

同步时序设计具有时钟稳定性好、抖动较小、电路布局布线灵活等优点，适用于大多数数字电路设计。

2. 异步时序设计：异步时序设计是指电路中的状态变化和信号传输在时钟信号之外的其他条件下发生，不依赖于时钟信号的同步控制。

异步时序设计适用于对响应时间要求较高或者对功耗控制较为重要的应用场景，但也存在着电路复杂、设计布线难度大、状态和信号的稳定性难以保证等缺点。

3. 管脚映射和物理布局：在时序设计中，管脚映射和物理布局是影响时序性能的重要因素。

数字电路第6章(1时序逻辑电路分析方法)1、第六章时序规律电路本章主要内容6.1概述6.2时序规律电路的分析方法6.3若干常用的时序规律电路6.4时序规律电路的设计方法6.5时序规律电路中的竞争-冒险现象1.时序规律电路的特点2.时序规律电路的分类3.时序规律电路的功能描述方法§6.1概述一、时序规律电路的特点1、功能：任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入；还与电路原来的状态有关。

例:串行加法器:两个多位数从低位到高位逐位相加一、时序规律电路的特点2.电路结构①包含存储电路和组合电路，且存储电路必不行少；②存储电路的输出状态必需反馈到组合电路输入端，与输入变量共同确定组合规律的输出。

yi:输出信号xi:输2、入信号qi:存储电路的状态zi:存储电路的输入可以用三个方程组来描述：Z=G(X,Q)二、时序电路的分类1.依据存储电路中触发器的动作特点不同时序电路存储电路里全部触发器有一个统一的时钟源;触发器状态改变与时钟脉冲同步.同步：异步：没有统一的时钟脉冲，电路中要更新状态的触发器的翻转有先有后，是异步进行的。

二、时序电路的分类2.依据输出信号的特点不同时序电路输出信号不仅取决于存储电路的状态，而且还取决于输入变量。

Y=F(X,Q)米利(Mealy)型：穆尔(Moore)型：输出状态仅取决于存储电路的状态。

犹如步计数器Y=F(Q)三、时序规律电路的功能描述方法描述方法3、规律方程式状态转换表状态转换图时序图三、时序规律电路的功能描述方法(1)规律方程式：写出时序电路的输出方程、驱动方程和状态方程。

输出方程反映电路输出Y与输入X和状态Q之间关系表达式；驱动方程反映存储电路的输入Z与电路输入X和状态Q之间的关系状态方程反映时序电路次态Qn+1与驱动函数Z和现态Qn之间的关系三、时序规律电路的功能描述方法(2)状态〔转换〕表：反映输出Z、次态Qn+1和输入X、现态Qn间对应取值关系的表格。

(3)状态〔转换〕图：(4)时序图：反映时序规律电路状态转换规律及相应输入、输出取值关系的有向图形。

数字电路中的时序逻辑设计原理时序逻辑是数字电路中的重要概念，通过有序的时钟信号来控制电路的行为。

在数字系统中，时序逻辑电路扮演着重要的角色，用于处理和存储数据。

本文将介绍数字电路中的时序逻辑设计原理，包括时钟信号、触发器、状态机以及时序逻辑设计的方法。

1. 时钟信号时钟信号在数字电路中起到同步和定时的作用。

它通过周期性的信号波形，使得电路中的操作在特定的时间点发生。

时钟信号通常表示为高电平和低电平的变化，这些变化用于触发电路中的不同操作。

时钟频率表示时钟信号的周期，单位为赫兹（Hz）。

2. 触发器触发器是时序逻辑电路中常用的元件，用于存储和传输数据。

它基于时钟信号来触发输入数据的存储，并且在时钟信号的上升沿或下降沿改变输出。

触发器一般分为 D 触发器、JK 触发器、SR 触发器等不同类型，根据需求选择适当的触发器类型。

3. 状态机状态机是一种时序逻辑电路，用于描述系统的行为和状态转换。

它由状态和状态之间的转移组成，通过输入信号的变化触发状态转移。

状态机可以是同步的或异步的，同步状态机与时钟信号同步，而异步状态机不需要时钟信号。

4. 时序逻辑设计方法时序逻辑设计需要遵循以下步骤：a) 分析需求：明确设计的目标和功能，确定所需的输入和输出信号。

b) 设计状态图：根据需求设计状态机的状态和状态转移。

c) 确定触发器类型：选择合适的触发器类型来实现状态机的功能。

d) 实现电路：根据设计的状态机和触发器类型，搭建电路并连接输入输出信号。

e) 验证和调试：通过模拟和测试验证电路的正确性，修复可能存在的问题。

总结：时序逻辑设计原理在数字电路中起着重要的作用。

时钟信号作为同步和定时的基准，触发器用于存储和传输数据，状态机描述系统行为和状态转换。

时序逻辑设计需要分析需求、设计状态图、选择合适的触发器类型、搭建电路并进行验证和调试。

通过了解和应用这些原理，可以有效设计和实现复杂的数字电路系统。

数字电路时序分析数字电路时序分析是指对数字电路中各个信号的时序关系进行分析和处理的过程。

在现代电子设备中，数字电路扮演着至关重要的角色。

了解数字电路的时序分析能够帮助我们有效地设计和优化电子设备，提高其性能和可靠性。

一、时序和时钟信号时序是指在数字电路中各个信号按照一定的时间顺序发生和传递的规则。

时序信号是指用来控制和同步数字电路中各个元件操作和数据传输的信号。

其中，时钟信号是最核心的时序信号，它在数字电路中起到非常重要的作用。

时钟信号确定了数字电路中各个时刻的起点和终点，决定了元件的状态和信号的传输。

二、时序分析的基本概念1. 时序图：时序图是用来描述数字电路中各个信号之间的时间关系和传输顺序的图形工具。

通过时序图，我们可以清楚地了解各个信号之间的关系，从而进行分析和调试。

2. 时序约束：时序约束是指在设计数字电路时，对其时序性能提出的要求，包括最大延迟、最小延迟、时钟频率等等。

时序约束的严格满足与否直接影响着电路的正确性和可靠性。

3. 时序敏感路径：时序敏感路径是指数字电路中传输延迟最长的路径。

在时序分析中，我们需要特别关注这些路径，确保其传输时间满足时序约束。

4. 时序错误：时序错误是指由于信号传输延迟、时钟频率等因素导致的数字电路功能上的错误。

通过时序分析，我们可以及时发现和排除这些错误，提高电路的可靠性和性能。

三、时序分析的方法和工具1. 时间图分析：时间图是时序分析中最基本的工具之一。

通过绘制信号的时序波形图，我们可以更直观地观察各个信号之间的时间关系，进而进行分析。

2. 逻辑仿真：逻辑仿真是一种通过计算机模拟数字电路的运行过程，以验证其时序性能的方法。

通过逻辑仿真，我们可以模拟不同的输入条件和时钟频率，分析电路的输出是否满足要求。

3. 时序约束验证：时序约束验证是通过使用专业的时序验证工具，对设计的数字电路进行时序约束的验证。

这些工具可以帮助我们全面、准确地分析电路的时序特性，提高设计的可靠性和性能。

数字电路设计中的时序分析与优化数字电路设计是现代电子技术领域中的重要一环，它关系到整个系统的性能和可靠性。

时序分析与优化是数字电路设计中非常重要的一部分，它涉及到电路时序的正确性和性能优化。

本篇文章将从基础概念、时序分析方法和时序优化方法三个方面详细探讨数字电路设计中的时序分析与优化。

一、基础概念时序是数字电路中各个时钟信号及其相关时序条件之间的相互关系，也就是时序控制关系和限制条件。

该限制条件通常包括时钟时序、输入数据时序和输出数据时序等，这些时序条件必须满足，否则电路将无法正常工作。

在进行数字电路设计时，必须对电路的时序进行深入分析和优化，以保证电路的可靠性和性能。

二、时序分析方法时序分析方法主要有两种，分别是时序模拟和时序验证。

时序模拟是将某一个电路实现的时序模型进行仿真，通过模拟来验证电路的正确性和性能。

而时序验证则是使用一种正式的验证方法来检查电路的时序正确性和性能。

在时序模拟中，我们通常使用射线法或设置时间步长法进行仿真。

射线法是以时序图中的时钟线为坐标轴建立坐标系，然后利用一条射线沿时间坐标轴方向递增来表示仿真的过程。

而设置时间步长法则是根据特定的时间步长在不同时钟周期中进行仿真。

比较常用的设置时间步长法是单步仿真法和激励响应法。

在时序验证中，我们通常使用时序正逆仿真法或时序验证工具来进行验证。

时序正逆仿真法是利用仿真方法验证电路的正确性，通过正向仿真、逆向仿真、定长结构仿真和步长控制仿真等手段来验证电路的时序正确与否。

而时序验证工具则是使用专业的验证工具，如Cadence的Verilog-XL和Mentor的Modelsim等，来进行电路的验证。

三、时序优化方法时序优化方法主要有两种，分别是加载优化和逻辑优化。

加载优化主要是指通过试图缩短延迟和提高时钟频率来优化电路的时序性能。

而逻辑优化则是通过改进电路的逻辑实现，来提高电路的时序性能。

在加载优化中，我们通常通过缩短线路长度、选择更优的器件类型和减小线路电阻等手段来改善电路性能。

第7章 时序逻辑电路7.1 概述时序电路在任何时刻的稳定输出，不仅与该时刻的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。

图7.1.1 时序逻辑电路的结构框图2、时序电路的分类 （1） 根据时钟分类同步时序电路中，各个触发器的时钟脉冲相同，即电路中有一个统一的时钟脉冲，每来一个时钟脉冲，电路的状态只改变一次。

异步时序电路中，各个触发器的时钟脉冲不同，即电路中没有统一的时钟脉冲来控制电路状态的变化，电路状态改变时，电路中要更新状态的触发器的翻转有先有后，是异步进行的。

（2）根据输出分类米利型时序电路的输出不仅与现态有关，而且还决定于电路当前的输入。

穆尔型时序电路的其输出仅决定于电路的现态，与电路当前的输入无关；或者根本就不存在独立设置的输出，而以电路的状态直接作为输出。

7.2 时序逻辑电路的分析方法时序电路的分析步骤：电路图 时钟方程、输出方程、驱动方程 状态方程 计算 状态表（状态图、时序图） 判断电路逻辑功能 分析电路能否自启动。

7.2.1 同步时序电路的分析方法 分析举例：[例7.2.1]7.2.2 异步时序电路的分析方法 分析举例：[例7.2.3] 7.3 计数器概念：在数字电路中，能够记忆输入脉冲CP 个数的电路称为计数器。

计数器累计输入脉冲的最大数目称为计数器的“模”，用M 表示。

计数器的“模”实际上为电路的有效状态。

计数器的应用：计数、定时、分频及进行数字运算等。

计数器的分类：(1)按计数器中触发器翻转是否同步分：异步计数器、同步计数器。

(2)按计数进制分：二进制计数器、十进制计数器、N 进制计数器。

(3)按计数增减分：加法计数器、减法计数器、加/减法计数器。

7.3.1 异步计数器X X Y 1Y m输入输出一、异步二进制计数器1、异步二进制加法计数器分析图7.3.1 由JK触发器组成的4位异步二进制加法计数器。

分析方法：由逻辑图到波形图（所有JK触发器均构成为T/触发器的形式，且后一级触发器的时钟脉冲是前一级触发器的输出Q），再由波形图到状态表，进而分析出其逻辑功能。