數(shù)字集成電路設(shè)計是電子工程領(lǐng)域的核心課程之一，第六章通常涉及時序邏輯電路、觸發(fā)器、狀態(tài)機設(shè)計等關(guān)鍵概念。以下是針對該章節(jié)的典型習(xí)題及詳細答案解析，旨在幫助學(xué)習(xí)者鞏固理論知識并提升實踐能力。
習(xí)題1：時序邏輯電路分析
題目：分析圖6-1所示時序邏輯電路，寫出其狀態(tài)表和狀態(tài)圖，并說明電路功能。
答案解析：
識別電路中的觸發(fā)器類型（如D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器），并列出輸入、輸出和狀態(tài)變量。通過狀態(tài)方程推導(dǎo)狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，繪制狀態(tài)圖。例如，若電路為3位計數(shù)器，狀態(tài)圖將顯示循環(huán)計數(shù)模式。結(jié)論應(yīng)指出電路的具體功能，如模8計數(shù)器或序列檢測器。
習(xí)題2：觸發(fā)器設(shè)計
題目：設(shè)計一個邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器，要求使用基本門電路實現(xiàn)，并分析其建立時間和保持時間。
答案解析：
D觸發(fā)器的設(shè)計通常基于主從結(jié)構(gòu)或使用傳輸門。步驟包括：繪制電路圖，解釋時鐘信號邊沿（上升沿或下降沿）對數(shù)據(jù)鎖存的影響。建立時間指數(shù)據(jù)在時鐘邊沿前必須穩(wěn)定的最小時間，保持時間指時鐘邊沿后數(shù)據(jù)需保持的時間。通過時序圖分析這些參數(shù)，確保電路在高速下可靠工作。
習(xí)題3：有限狀態(tài)機（FSM）設(shè)計
題目：設(shè)計一個Moore型有限狀態(tài)機，檢測輸入序列“1010”，當檢測到完整序列時輸出高電平。
答案解析：
首先定義狀態(tài)：S0（初始）、S1（收到1）、S2（收到10）、S3（收到101）、S4（收到1010）。繪制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，基于輸入位（0或1）確定下一狀態(tài)。輸出僅與當前狀態(tài)相關(guān)，S4狀態(tài)輸出1。使用狀態(tài)表或VHDL/Verilog代碼實現(xiàn)，并驗證其功能通過仿真測試。
習(xí)題4：時序優(yōu)化
題目：給定一個組合邏輯電路與時序路徑，計算最大時鐘頻率，并討論如何通過流水線技術(shù)提高性能。
答案解析：
最大時鐘頻率由關(guān)鍵路徑延遲決定，公式為 \( f{max} = 1 / T{clk} \)，其中 \( T_{clk} \) 包括觸發(fā)器延遲和組合邏輯延遲。通過添加流水線寄存器，將長路徑分割為多個階段，減少每級延遲，從而提升頻率。舉例說明流水線如何增加吞吐量，但可能引入額外延遲和面積開銷。
綜合練習(xí)
題目：結(jié)合第六章內(nèi)容，設(shè)計一個簡單的數(shù)字系統(tǒng)，如交通燈控制器，要求使用狀態(tài)機并考慮時序約束。
答案解析：
定義狀態(tài)（如紅燈、綠燈、黃燈），輸入（定時器信號），輸出（燈控制信號）。使用狀態(tài)機描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，確保每個狀態(tài)持續(xù)時間符合安全標準。時序分析包括檢查建立/保持時間，避免亞穩(wěn)態(tài)。通過仿真驗證功能，并討論實際應(yīng)用中的功耗和面積優(yōu)化策略。
總結(jié)
第六章習(xí)題覆蓋了數(shù)字集成電路設(shè)計的核心時序概念，通過動手分析和設(shè)計，學(xué)習(xí)者能加深對觸發(fā)器、狀態(tài)機和時序優(yōu)化理解。建議結(jié)合EDA工具進行仿真，以強化實踐技能。
