หลักการออกแบบวงจรลอจิก

ในการออกแบบวงจรลอจิก เราจำเป็นต้องตกลงถึงการทำงานของวงจรลอจิก และการทำงานของสัญญาณนาฬิกาว่ามีการเรียกใช้งานอย่างไร วงจรลอจิกประเภทแรกทำงานงานตามอินพุทของวงจร เรียกว่า Combinational ถ้าอินพุทเหมือนกันเอาท์พุทจะได้ค่าเท่ากัน เนื่องจากไม่มีหน่วยความจำภายใน วงจรลอจิกประเภทสองเรียกว่า State Machine ในวงจรเก็บสถานะของระบบไว้ในหน่วยความจำภายใน โดยเรียกว่า State Element ในกรณีที่เราปิดเปิดเครื่อง เราสามารถจะกำหนดให้วงจรกลับไปเริ่มทำงานที่เก่าได้โดยการโหลดสถานะก่อนการปิดเครื่องไปในหน่วยความจำ จากรูป 5.1 ALU เป็น วงจรแบบ Combinational ส่วน รีจีสเตอร์ และ Data Memory เป็น State Element

ส่วนของ State Element ประกอบด้วยอินพุท 2 ชุด และ เอาท์พุท 1 ชุด อินพุทสองชุดประกอบด้วย ข้อมูลสำหรับรับเข้าเขียนใน State Element และสายสัญญาณนาฬิกาสำหรับควบคุมเมื่อต้องการเขียนข้อมูลลง State Element นั้นๆ เอาท์พุทของ State Element จะแสดงค่าที่เก็บไว้ในคาบเวลาที่แล้ว ตัวอย่างของ State Element ได้แก่ D-Type Flip Flop ที่มีเพียงสองอินพุท และหนึ่งเอาท์พุท แสดงการทำงานในรูป 5.5 นอกจากนี้โปรเซสเซอร์ MIPS ยังมี State Element อีกสองอย่าง ได้แก่ รีจีสเตอร์ และ หน่วยความจำ โดยสามารถอ่านค่าได้ตลอดเวลา แต่สัญญาณนาฬิกาจะเป็นตัวกำหนดจังหวะการเขียนเท่านั้น

Figure 5.5: D Latch และ D Flip Flop และการทำงานของ Flip Flop

วงจรลอจิกที่มีสถานะยังเป็นแบบลำดับหรือ Sequential เนื่องจากค่าเอาท์พุทขึ้นอยู่กับค่าอินพุทและสถานะภายใน เช้นค่าเอาท์พุทของรีจีสเตอร์ขึ้นอยู่กับหมายเลขของรีจีสเตอร์ที่เข้าใช้ และ ค่าในรีจีสเตอร์ที่เขียนก่อนหน้า

เราจะใช้คำว่า assert สำหรับระบุสายสัญญาณที่ควรจะถูกตั้งค่า high เมื่อต้องการให้ทำงาน และ deassert สำหรับลอจิก low