基于次态卡诺图的移位寄存器型计数器的自启动设计
2024-05-19
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浙第38卷第4期 2011年7月 江大学学报(理学版) Vo1J.38 No.4 u1.2011 Journal of Zhejiang University(Science Editi http://www.journals.zja.edu.cn/sci on)基于次态卡诺图的移位寄存器型计数器的自启动设计 腾香 (渤海大学物理系,辽宁锦州121000) 摘要:分析了移位寄存器型计数器工作时的状态转换过程,提出了移位寄存器型计数器的设计可在保持右移移 位寄存器内部结构不变的基础上,只求解第1位触发器激励函数的设计方法.分析了触发器次态函数与激励函数 的关系,提出了在次态函数卡诺图上进行激励函数最小化求解与检查无效状态所赋次态值及逻辑修改同步进行的 移位寄存器型计数器自启动设计方法. 关键词:移位寄存器;扭环形计数器;环形计数器;自启动;次态卡诺图 文献标志码:A 文章编号:1008—9497(2011)04—419—05 中图分类号:TP 332.1 TENG Xiang(Department of Physics,Bohai University,Jinzhou 121000,Liaoning Province,China) Design of self-correction in shift register counter based on next state Karnaugh maps.Journal of Zh@ang University (Science Edition),2011,38(4):419—423 Abstract:State change when shift register counter is working is analyzed.It proposed the method that in shift regis— ter counter design process,the internal structure of right shift register is kept unchanging,but only solve the excitation function of the first flip-flop.The relationship between next state function and excitation function of flip-flop is discussed. Based on next state Karnaugh maps,the method is put forward to minimize excitation function and examine the next state value of nul1 state.Also the design process of self-correction in shift register counter is investigated. Key Words:shift register;twisted ring counter;ring counter;self-correction;next state Karnaugh map 系,而设计电路时需求解触发器的激励函数.本文 0 引 言 移位寄存器型计数器是一种存在大量冗余无效 在深入分析常用的JK触发器、D触发器激励函数 和次态函数之间关系的基础上,提出基于触发器 次态函数卡诺图的移位寄存器型计数器自启动设 状态的特殊计数规律的计数器,自启动设计问题一 直受到人们的关注.目前常用的设计方法有2种,其 一计方法[5],其特点是激励函数和次态函数对应关 系直观明了,既便于求解最小化的激励函数,又便 于查看冗余状态的转换关系、修改逻辑关系进行 自启动设计. 是验证已得到的设计结果,画出状态转换图检验 是否存在无效循环,若有则断开无效循环链,修改设 计使其转入有效循环C1-2];其二是采用多码状态分 配技术 ],将一个状态分配给几个邻接编码.前者 有重复设计且修改设计无规律可循的缺点,后者冗 1 移位寄存器型计数器及设计原理 移位寄存器型计数器在结构上由右移移位寄存 器和反馈逻辑电路构成,图1为一般结构形式 . 余编码分配需有一定的技术要求,否则难以保证设 计结果最简. 计数器用触发器的次态函数表示状态转换关 收稿目期:2010—12-09. 基金项目:辽宁省高等教育教学改革研究A类项目(辽教发[20093141号) 作者简介:腾香(1964一),女,副教授,主要从事电子与控制信息研究. 42O 浙江大学学报(理学版) 第38卷 D 一Q7-1(i一2,3,…). (3) 不需专门进行求解. 2 反馈逻辑电路自启动设计 2.1 触发器的次态函数和激励函数的关系 图1 移位寄存器型计数器的一般结构形式 Fig.1 General structure of the shift register counter 设移位寄存器型计数器由n个触发器构成,第1 个触发器的次态函数可表示为l_5 移位寄存器型计数器按状态变化方式分为扭环 形计数器和环形计数器,图2为4位扭环形计数器 的有效状态转换图,图3为4位环形计数器的有效 状态转换图[1 ]. , —、 (Q, 。] ) 图2 4位扭环形计数器有效状态转换图 Fig.2 Effective state changing of 4-bits twisted ring counter @ 图3 4位环形计数器有效状态转换图 Fig.3 Effective state changing of 4-bits ring counter 移位寄存器型计数器存在冗余状态,即无效状 态_1 ],n个触发器构成的咒位扭环形计数器,有效 状态数为2n个,存在2”一2 个无效状态; 个触发 器构成的n位环形计数器,有效状态数为7"/个,存在 2 一 个无效状态. 移位寄存器型计数器,其结构决定工作时状态 变化在右移移位的基础上进行,由现态到次态的转 换过程为 现态 右移一位,末位移出,第一位补0或1 次态 移位寄存器型计数器的设计,可在保持右移移 位寄存器内部结构不变的基础上,只对第1位触发 器的激励函数进行设计,即对反馈逻辑电路进行 设计. 用JK触发器或D触发器设计移位寄存器型计 数器时,第1位以后触发器的激励函数为 J —Q7-1(i一2,3,…), (1) K 一一QT- ( 一2,3,…), (2) Qr 一,(Q ,Q;,…,Q:). (4) 表示式(1)的卡诺图称为第1位触发器的次态卡诺 图. 用JK触发器设计电路时,由特性方程[1 ] Qr 一-,1 Q +K1 Q (5) 有 ] Jl—Q f :。, (6) K1一Qr I :1. (7) 式(6)、(7)表明,第1位触发器次态函数Q 的卡诺 图中,Q7—0区域的次态表示激励函数-, , :1 区域的次态值取反后表示激励函数K . 用D触发器设计电路时,由特性方程l_1 ] Qr ===D (8) 有 ] D 一Q . (9) 式(9)表明,第1位触发器次态函数Q 的卡诺图即 是激励函数D 的卡诺图. 2.2 反馈逻辑电路自启动设计方法 (1)作出第1位触发器次态函数Qr 的卡诺 图,按有效状态的状态转换图标出所有有效状态的 第1位次态值,其余状态为无关项,其第1位次态填 ×值(任意值). (2)在次态函数Qr 的卡诺图上合并化简求第 1位触发器的激励函数: ①用JK触发器设计时l5],由式(6),在次态函 数Q 卡诺图的Q 一0区域按相邻关系圈1格画包 围圈并充分利用无关项×格扩大包围圈求解激励 函数J ,圈入包围圈的×格其第1位次态被确定为 1值,没被圈入包围圈的×格其第1位次态被确定为 0值;由式(7),在次态函数Q 卡诺图的Q 一1区 域按相邻关系圈0格画包围圈并充分利用无关项× 格扩大包围圈求解激励函数K ,圈人包围圈的×格 其第1位次态被确定为0值,没被圈入包围圈的× 格其第l位次态被确定为1值. ②用D触发器设计时,由式(9),在次态函数 Qr 的卡诺图上,按相邻关系圈1格画包围圈并充 分利用无关项×格扩大包围圈求解激励函数D,,圈 第4期 腾香:基于次态卡诺图的移位寄存器型计数器的自启动设计 421 人包围圈的×格其第1位次态被确定为1值,没被 圈入包围圈的×格其第1位次态被确定为0值。 注意:包围圈内的小格数为2 个( :==0,1,2, …由图4无关项×格第1位被赋予的次态值及右 移移位关系,画出无效状态的状态转换图如图5所 示.由图5可知,所设计的电路不能自启动,须在次 )且应最大;用最少的包围圈将1格或0格圈完. 态函数卡诺图上修改求激励函数包围圈的圈法. (3)自启动检查及逻辑修改 据无关项×格第1位被赋予的次态值及右移移 ⑩oo1OH0101H 1001卜叫O1ooH 1010 101lH 0llOH l101 位关系,画无效状态的状态转换图检查自启动情况, 若不能自启动,须在次态函数卡诺图上修改求激励 函数包围圈的圈法改变对某些无关项第1位的赋 值,将无关项直接或间接引导到有效状态. 修改的原则:兼顾状态转换关系能自启动和激 励函数最小化的要求,在能自启动的前提下包围圈 尽可能大、数量尽可能少. 图5 设计电路无效状态的状态转换图 Fig.5 State changing map of null state in design circuits ①修改方案1 在次态卡诺图Q 一0区域改 变包围圈的圈法如图6所示,使0000最小项只与无 关项0100聚合,无效状态0010、0110的第1位次态 值被修改为0,分别被引导到有效状态0001、0011. 由图6无关项×格第1位被赋予的次态值及右移移 位关系,画出逻辑修改后无效状态的状态转换图如 (4)求解第l位触发器的最小化激励函数,画 逻辑电路图. 3 设计举例 例 用4位右移移位寄存器设计能自启动的4 位扭环形计数器. 图7所示,所设计的电路有自启动功能. 设4位右移移位寄存器的4个触发器为FF 、 FF 、FF。、FF ,其状态变量为Q 、Q 、Q。、Q ,触发 器FF 为反馈输入触发器即第1位触发器. 4位扭环形计数器的有效状态转换图如图2所 示,1000、11O0、1110、I1l1、0111、0011、0001、0000 等8个状态为有效状态,其余的2 一8=8个冗余状 态为无效状态. (I)用JK触发器设计 作出第1位触发器次态函数Qr 的卡诺图,由 图2所示的4位扭环形计数器有效状态转换图在所 有表示有效状态的小格内填第1位次态值,剩余表 图6 第1位触发器求J、K化简的修改方案1 Fig.6 Simplification of J,K of the first flip—flop in modification scheme 1 示无关项的小格内填×值,如图4所示. g 图7 修改方案l无效状态的状态转换图 图4 第1位触发器的次态卡诺图及求,、K化简 Fig.4 Next state Karnaugh map of the first flip—flop Fig.7 State changing map of null state in modification scheme l and simplification of J,K 在图4所示的次态函数卡诺图中划分出Q 一0 区域、Q :==1(阴影区域),按最简的原则分别在 一由图6得第1位触发器的最小化激励函数为 J 一Q Q;Q:J Q :。一Q;Q:. K 一Q Q:I翻: =Q:. 启动4位扭环形计数器的逻辑图. (10) (11) 0区域画求J 的包围圈、 一1区域画求K 的包围圈,并在×的右侧标注无关项的赋值,确定 无效状态的第1位次态值. 由式(10)、(11)及式(1)、(2)可画出所设计自 浙江大学学报(理学版) 第38卷 分析表明,在次态卡诺图 一0区域其他改变 包围圈的圈法,都不能自启动. ②修改方案2 在次态卡诺图 一1区域改 变包围圈的圈法如图8所示,使l111最小项只与无 关项1011聚合,无效状态1101、1001第1位的次态 值被修改为1,分别被引导到有效状态111O、1100. 由图8无关项×格第1位被赋予的次态值及右移移 位关系,画出逻辑修改后无效状态的状态转换图如 图9所示,所设计的电路有自启动功能. 图8 第1位触发器求J、K化简的修改方案2 Fig.8 Simplification of J,K of the first flip—flop in m0dmcation scheme 2 图9 修改方案2无效状态的状态转换 Fig.9 State changing map of null state in modification scheme 2 由图8得第1位触发器的最小化激励函数为 J 一Q Q I Qn一。一Q:. (12) K ===Q l : 一 . (13) 由式(12)、(13)及式(1)、(2)可画出所设计自 启动4位扭环形计数器的逻辑图. 分析表明,在次态卡诺图Q 一1区域改变包围 圈的其他圈法,都不能自启动. (2)用D触发器设计 作出第1位触发器次态函数Qr 的卡诺图,由 图2所示的4位扭环形计数器有效状态转换图在所 有表示有效状态的小格内填第1位次态值,剩余表 示无关项的小格内填×值,如图10所示. 按最简的原则在图1O所示的次态函数卡诺图 画求D 的包围圈,并在×的右侧标注无关项的赋 值,确定无效状态的第1位次态值. 由图10无关项×格第1位被赋予的次态值及 Q:Q: 一 图1O 第1位触发器的次态卡诺图及求D化简 Fig.10 Next state Karnaugh map of the first flip-flop and simplification of D 右移移位关系,画出无效状态的状态转换图如图5 所示,所设计的电路不能自启动,须在次态函数卡诺 图上修改求激励函数包围圈的圈法. ①修改方案l 在次态卡诺图上改变包围圈的 圈法如图11所示,增加一个包围圈将1100、1000最 小项及无关项1101、1001聚合,无效状态1101、1001 第1位的次态值被修改为1,分别被引导到有效状态 1110、1100.由图11无关项×格第1位被赋予的次 态值及右移移位关系,画出逻辑修改后无效状态的 状态转换图如图9所示,所设计的电路有自启动 功能. \Q Q Q 、 O0 01 l1 1O T羹 o o"7] 图11 第1位触发器求D化简的修改方案1 Fig.1 1 Simplification of D of the first flip—flop in modification scheme 1 由图11得第1位触发器的最小化激励函数为 D 一Q:+Q Q;. (14) 由式(14)及式(I)、(2)可画出所设计自启动4 位扭环形计数器的逻辑图. ②修改方案2 在次态卡诺图上改变包围圈的 圈法如图12所示,增加一个包围圈将1100最小项 及无关项0100、0101、1101聚合,无效状态0101、 1101第1位的次态值被修改为1,1101被引导到有 效状态1110,0101被引导到1010经1101进入有效 状态.由图12无关项×格第1位被赋予的次态值及 右移移位关系,画出逻辑修改后无效状态的状态转 换图如图13所示,所设计的电路有自启动功能. 由图12得第1位触发器的最小化激励函数为 D :Q:+ . (15) 由式(15)及式(1)、(2)可画出所设计自启动4 位扭环形计数器的逻辑图. 分析表明,其他修改方案,使第1位触发器激励 函数的最简化程度降低. 第4期 腾香:基于次态卡诺图的移位寄存器型计数器的自启动设计 423 01 II 10 O 0 ×l ×l 0 ×1 ×l O X 0 ×0 x 1 图12 第1位触发器求D化简的修改方案2 Fig.1 2 Simplification of D of the first flip—flop in m0d.fication scheme 2 图13 修改方案2无效状态的状态图 Fig.1 3 State map of null state in modification scheme 2 4 结 语 触发器的次态函数卡诺图既表示状态转换关 系,又表明次态函数与激励函数的关系,从而可实现 在次态函数卡诺图上进行激励函数最小化与检查无 效状态所赋次态值及逻辑修改进行自启动设计同步 进行. 所述方法适于其他时序逻辑电路自启动设计. 参考文献(References): Eli阎石.数字电子技术基础EM].第4版.北京:高等教育 出版社,1998. YAN Shi.Fundamentals of Digital Electronic Technolo- gy[M].4th ed.Beijing:Higher Education Press, 1998. [2]余孟尝.数字电子技术基础简明教程EM-1.第3版.北 京:高等教育出版社,2006. YU Meng—chang.Summary Course for Digital Electron— ic Technolog[M].3rd ed.Beijing:Higher Education Press,2006. [3] 宋灵贵,徐月华,陈偕雄.能自启动的移位型计数器的新设 计口].浙江大学学报:理学版,2000,27(6):612—616. SONG Ling—gui.XU Yue—hua,CHEN Xie-xiong.A new design method of shift counters with selbcorrec— tion[J].J of Zhejiang University:Science Edition, 2000,27(6):612—616. 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