时序逻辑电路的工作流程

  我们利用书籍《计算机系统概论》中的一个具体例子来讲讲时序电路的工作流程。

  书中使用下图所示的时序逻辑电路实现了上文所述的交通警告牌控制器。

 

  其中,时钟信号按照如下图象所示的规律进行变化。

   

  理解这个电路的关键在于理解电路中两个存储单元的工作流程。通过观察发现,两个存储单元都是分别由两个相连的门控D锁存器A和B构成的。其中A的输入端连接着组合逻辑电路,B的输出端连接着组合逻辑电路。而时钟信号控制着两个锁存器是否可以被写入。

  现在我们先只看存储器单元。假设我们在一个时钟周期的开始给A的输入端输入信号1,会发生什么?

 

  在时钟周期的开始,时钟信号的值为1,这时锁存器B是可写入值的。但是锁存器A不可写入值,因为锁存器A和时钟电路之间有一个非门。所以,我们输入的信号1无法写入锁存器A,也就无法到达锁存器B,被暂时“锁”在了外面。到了时钟周期的后半部分,时钟信号的值变为0。这时A可写入值,B不可写入值。信号1进入了A,A把信号1传递给B,但是B把信号1“锁”在了外面。到了下一个时钟周期的开始时,A不可写入值,B可写入值。之前被B“锁”在外面的信号1进入了B,并被B输出。A这时被”锁“住,外面的信号无法进入A。如果我们之前输入的不是信号1,而是信号0,也是一样的道理。信号0要等到下一个时钟周期才会到达锁存器B,并被B输出。综上,我们可以知道,无论我们在一个时钟周期开始时向图中所示的存储器单元输入什么信号,我们的信号都要延迟一个时钟周期才能被存储器单元输出。这就是存储器单元在这个电路中发挥的主要作用。

  明白了存储器单元在这个电路中的作用后,我们再来看逻辑组合电路部分。逻辑组合电路左边的四个与门跟译码器的结构比较相似。只要开关是开的,那么开关输入到四个与门中的信号都是1。而存储单元1和存储单元2传递过来的信号的不同组合,分别会让不同的与门输出1,而且在同一时间,输出1的与门一定只有一个。下面为了方便,我们把从上到下第一个、第二个和第三个与门分别记作C、D和E。

  我们在第一个时钟周期开始时把开关打开。一开始从存储单元1和2传递过来的信号都是0,所以所有的与门中只有与门C输出的信号是1,所有的或门中只有或门U输出的信号是1,1、2、3、4和5号灯都是关的。于是信号0被传递到存储单元1,信号1被传递到存储单元2。信号0和信号1并不会马上被存储单元1和2传递回来,因为之前说过,到达存储单元的信号需要延迟一个时钟周期才会被输出。所以在一个时钟周期后,信号0和1才会被传递回组合逻辑电路。存储单元把信号传递回组合逻辑电路后,与门D输出信号1,或门Z和W输出信号1,1和2号灯被打开,传递到存储单元1和2的信号分别是1和0。又过了一个时钟周期后,信号1和0被传递回来,与门E输出信号1,或门Z、Y、W和U输出信号1,1、2、3和4号灯亮,传递到存储单元1和2的信号都是1。一个时钟周期后,两个信号1被传递回来,与门X输出信号1,或门Z和Y输出信号1,另外信号1还被传递到了5号灯,所以这时1至5号灯都是亮的。传递到两个存储单元的信号都是0。一个时钟周期后两个信号0被传递回来,与门C输出信号1,所有的灯都灭,或门U输出信号1。于是之后就又开始重复完全相同的过程。就这样,整个电路控制着五个灯不断重复着相同的过程。这就是时序逻辑电路工作的具体流程。

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