数字集成电路设计是电子工程领域的核心课程之一，第六章通常涉及时序逻辑电路、触发器、状态机设计等关键概念。以下是针对该章节的典型习题及详细答案解析，旨在帮助学习者巩固理论知识并提升实践能力。
习题1：时序逻辑电路分析
题目：分析图6-1所示时序逻辑电路，写出其状态表和状态图，并说明电路功能。
答案解析：
识别电路中的触发器类型（如D触发器或JK触发器），并列出输入、输出和状态变量。通过状态方程推导状态转移表，绘制状态图。例如，若电路为3位计数器，状态图将显示循环计数模式。结论应指出电路的具体功能，如模8计数器或序列检测器。
习题2：触发器设计
题目：设计一个边沿触发的D触发器，要求使用基本门电路实现，并分析其建立时间和保持时间。
答案解析：
D触发器的设计通常基于主从结构或使用传输门。步骤包括：绘制电路图，解释时钟信号边沿（上升沿或下降沿）对数据锁存的影响。建立时间指数据在时钟边沿前必须稳定的最小时间，保持时间指时钟边沿后数据需保持的时间。通过时序图分析这些参数，确保电路在高速下可靠工作。
习题3：有限状态机（FSM）设计
题目：设计一个Moore型有限状态机，检测输入序列“1010”，当检测到完整序列时输出高电平。
答案解析：
首先定义状态：S0（初始）、S1（收到1）、S2（收到10）、S3（收到101）、S4（收到1010）。绘制状态转移图，基于输入位（0或1）确定下一状态。输出仅与当前状态相关，S4状态输出1。使用状态表或VHDL/Verilog代码实现，并验证其功能通过仿真测试。
习题4：时序优化
题目：给定一个组合逻辑电路与时序路径，计算最大时钟频率，并讨论如何通过流水线技术提高性能。
答案解析：
最大时钟频率由关键路径延迟决定，公式为 \( f{max} = 1 / T{clk} \)，其中 \( T_{clk} \) 包括触发器延迟和组合逻辑延迟。通过添加流水线寄存器，将长路径分割为多个阶段，减少每级延迟，从而提升频率。举例说明流水线如何增加吞吐量，但可能引入额外延迟和面积开销。
综合练习
题目：结合第六章内容，设计一个简单的数字系统，如交通灯控制器，要求使用状态机并考虑时序约束。
答案解析：
定义状态（如红灯、绿灯、黄灯），输入（定时器信号），输出（灯控制信号）。使用状态机描述状态转移，确保每个状态持续时间符合安全标准。时序分析包括检查建立/保持时间，避免亚稳态。通过仿真验证功能，并讨论实际应用中的功耗和面积优化策略。
总结
第六章习题覆盖了数字集成电路设计的核心时序概念，通过动手分析和设计，学习者能加深对触发器、状态机和时序优化理解。建议结合EDA工具进行仿真，以强化实践技能。
