基本介紹
- 中文名：時序邏輯系統
- 外文名：sequential logic system
- 學科：計算機科學與技術
- 類別：數字邏輯系統
- 分類：同步、異步
- 套用：計數器、暫存器
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基本概念
數字電路根據邏輯功能的不同特點，可以分成兩大類，一類叫組合邏輯電路（簡稱組合電路），另一類叫做時序邏輯電路（簡稱時序電路）。組合邏輯電路在邏輯功能上的特點是任意時刻的輸出僅僅取決於該時刻的輸入，與電路原來的狀態無關。而時序邏輯電路在邏輯功能上的特點是任意時刻的輸出不僅取決於當時的輸入信號，而且還取決於電路原來的狀態，或者說，還與以前的輸入有關。
時序邏輯電路其任一時刻的輸出不僅取決於該時刻的輸入，而且還與過去各時刻的輸入有關。常見的時序邏輯電路有觸發器、計數器、暫存器等。由於時序邏輯電路具有存儲或記憶的功能，檢修起來就比較複雜。
時序邏輯電路
時序邏輯是Verilog HDL設計中另一類重要套用。從電路特徵上看來，其特點為任意時刻的輸出不僅取決於該時刻的輸入，而且還和電路原來的狀態有關。電路裡面有存儲元件（各類觸發器，在FPGA晶片結構中只有D觸發器）用於記憶信息。從電路行為上講，不管輸入如何變化，僅當時鐘的沿（上升沿或下降沿）到達時，才有可能使輸出發生變化。
時序邏輯電路由組合邏輯電路和存儲電路這兩部分組成，其中存儲電路由各類觸發器（JK觸發器、D觸發器以及T觸發器等類型）構成，並將組合邏輯的部分輸出反饋到輸入邏輯的輸入連線埠。
結構圖如圖：
時序電路可通過表達式（電路輸出端的輸出邏輯表達式、存儲電路觸發器輸出端的驅動或激勵表達式，以及表示觸發器狀態的狀態方程）、狀態轉移表、狀態轉移圖、時序圖以及HDL行為描述語言等來描述。若將輸入變數和各級觸發器狀態的全部組合列出，分別代入各級觸發器的狀態方程和電路的輸出方程，則可以計算出各級觸發器的次態值和當前輸出值，把相應的計算結果列成真值表就可得到狀態轉移表。
分類
時序邏輯電路可分為同步時序電路和異步時序電路兩大類。
同步時序邏輯電路
在同步時序邏輯電路中，存儲電路內所有觸發器的時鐘輸入端都接於同一個時鐘脈衝源，因而，所有觸發器的狀態（即時序邏輯電路的狀態）的變化都與所加的時鐘脈衝信號同步。
異步時序邏輯電路
在異步時序邏輯電路中，沒有統一的時鐘脈衝，有些觸發器的時鐘輸入端與時鐘脈衝源相連，只有這些觸發器的狀態變化才與時鐘脈衝同步，而其他觸發器狀態的變化並不與時鐘脈衝同步。
故障分析
帶有時序邏輯電路的數字電路主要故障分析：
（1）時鐘：時鐘是整個系統的同步信號，當時鐘出現故障時會帶來整體的功能故障。時鐘脈衝丟失會導致系統數據匯流排、地址匯流排或控制匯流排沒有動作。時鐘脈衝的速率、振幅、寬度、形狀及相位發生變化均可能引發故障。
（2）復位：含有微處理器(MPU)的設備，即使是最小系統，一般都具有復位功能。復位脈衝在系統上電時載入到MPU上，或在特定情況下使程式回到最初狀態(例如，看門狗Watchdog程式)。當復位脈衝不能發生、信號過窄、信號幅度不對、轉換中有干擾或轉換太慢時，程式就可能在錯誤的地址啟動，導致程式混亂。
（3）匯流排：匯流排傳遞指令系列和控制事件，一般有地址匯流排、數據匯流排和控制匯流排。當匯流排即使只有一位發生錯誤時，也會嚴重影響系統功能，出現錯誤定址、錯誤數據或錯誤操作等。匯流排錯誤可能發生在匯流排驅動器中，也可能發生在接收數據位的其它元件中。
（4）中斷：帶微處理器(MPU)的系統一般都能夠回響中斷信號或設備請求，產生控制邏輯，以暫時中斷程式執行，轉到特殊程式，為中斷設備服務，然後自動回到主程式。中斷錯誤主要是中斷線路粘附(此時系統操作非常
（5）信號衰減和畸變：長的並行匯流排和控制線可能會發生互動串擾和傳輸線故障，表現為相鄰的信號線出現尖峰脈衝(互動串擾)，或驅動線上形成減幅振盪(相當於邏輯電平的多次轉換)，從而可能加入錯誤數據或控制信號。發生信號衰減的可能原因比較多，常見的有高濕度環境、長的傳輸線、高速率轉換等。而大的電子干擾源會產生電磁干擾(EMI)，導致信號畸變，引起電路的功能紊亂。
套用
時序邏輯電路是一種重要的數字邏輯電路，其特點是電路任何一個時刻的輸出狀態不僅取決於當時的輸入信號，而且與電路的原狀態有關，具有記憶功能。構成組合邏輯電路的基本單元是邏輯門，而構成時序邏輯電路的基本單元是觸發器。時序邏輯電路在實際中的套用很廣泛，數字鐘、交通燈、計算機、電梯的控制盤、門鈴和防盜報警系統中都能見到。
集成計數器的識別與套用
計數器在計算機及各種數字儀表中套用廣泛，具有記憶輸入脈衝個數的功能，還可以實現分頻、定時等。計數器種類繁多，按技術體制可分為二進制計數器和N進制計數器；按增減趨勢可分為加計數器和減計數器；按技術脈衝引入方式可分為同步計數器和異步計數器。同步計數器的特點是構成計數器的所有觸發器共用同一個時鐘脈衝，觸發器的狀態同時更新，計數速度快；而異步計數的特點是構成計數器的觸發器不共用同一個時鐘脈衝，所有觸發器更新狀態的時刻不一致，計數速度相對較慢。 在實際套用中，計數器是以積體電路形式存在的，主要有集成二進制計數器、集成十進制計數器兩大類，其他進制計數器可由它們通過外電路設計來實現。在每一大類計數器中，又以同步與異步、加計數與可逆計數來細分。
集成暫存器的識別與套用
暫存器具有接收數碼、存放或傳遞數碼的功能，由觸發器和邏輯門組成。其中，觸發器用來存放二進制數，邏輯門用來控制二進制數的接收、傳送和輸出。由於一個觸發器只能存放1位二進制數，因此，存放n位二進制數的n位暫存器，需要n個觸發器來組成。暫存器有數碼暫存器和移位暫存器2種。輸入輸出方式有併入-並出、併入-串出、串入-並出、串入-串出4種。當暫存器的每一位數碼由一個時鐘脈衝控制同時接收或輸出時，稱為併入或並出。而每個時鐘脈衝只控制暫存器按順序逐位移入或移出數碼時，稱為串入或串出。移位暫存器除了具有存儲數碼的功能以外，還具有移位功能。所謂移位功能，是指暫存器里存儲的數碼能在時鐘脈衝作用下依次左移或右移。因此，移位暫存器不僅可以用來暫存數碼，而且可以用來實現數碼的串列-並行轉換。
時序邏輯電路的分析
時序邏輯電路分析的一般步驟可歸納為：寫方程式、求狀態方程、進行計算、畫狀態轉換圖（或狀態轉換表）、確定電路的邏輯功能等。
（1）寫方程式 仔細觀察、分析時序電路，然後再逐一寫出以下3個方程。
① 時鐘方程：各個觸發器時鐘信號的邏輯表達式。
② 輸出方程：時序電路各個輸出信號的邏輯表達式。
③ 驅動方程：各個觸發器輸入端信號的邏輯表達式。
（2）求狀態方程
把驅動方程代入相應觸發器的特性方程，即可求出時序電路的狀態方程。
（3）進行計算
把電路輸入和現態的各種可能取值，代入狀態方程和輸出方程進行計算，求出相應的次態和輸出。
（4）畫狀態轉換圖
（5）確定電路的邏輯功能 根據狀態轉換圖確定電路的邏輯功能，必要的話，可用文字詳細描述。
