第4章数字系统建模与描述课件.ppt

1、1主要内容主要内容n数字系统的模型结构数字系统的模型结构n数字系统的算法与描述数字系统的算法与描述n数字系统设计的基本步骤数字系统设计的基本步骤2数字系统模型结构数字系统模型结构3模型结构模型结构n按照数字系统的定义来构成模型按照数字系统的定义来构成模型u数据处理模块：数据处理子系统数据处理模块：数据处理子系统/信息处理单元信息处理单元v功能：完成数据的采集、存储、运算和传输功能：完成数据的采集、存储、运算和传输v组成：由存储器组成：由存储器/运算器运算器/寄存器寄存器/数据选择器等组成数据选择器等组成v工作过程：根据接收的控制信号完成数据的存取和运算，工作过程：根据接收的控制信号完成数据的存

2、取和运算，并将操作进程和结果作为条件信号反馈给控制器。并将操作进程和结果作为条件信号反馈给控制器。4模型结构模型结构n按照数字系统的定义来构成模型按照数字系统的定义来构成模型u控制器模块：控制子系统控制器模块：控制子系统v功能：系统功能的核心功能：系统功能的核心v组成：由组合电路和存储电路或寄存器组成组成：由组合电路和存储电路或寄存器组成v工作过程：接收外部控制信号和数据处理器的条件信号。工作过程：接收外部控制信号和数据处理器的条件信号。控制器在时钟信号的作用下进行状态转换，同时产生与控制器在时钟信号的作用下进行状态转换，同时产生与状态和条件信号相对应的控制信号，通过控制信号去控状态和条件信号

3、相对应的控制信号，通过控制信号去控制数据处理器完成具体的操作。制数据处理器完成具体的操作。5模型结构模型结构n典型的模型结构典型的模型结构数据处理器数据处理器控制器控制器数据输入数据输入数据输出数据输出时钟信号时钟信号控制信号控制信号条件信号条件信号外部控制信号外部控制信号6数据处理器数据处理器7数据处理器的功能数据处理器的功能n完成系统算法规定的逻辑功能完成系统算法规定的逻辑功能数据存储、数据存储、算术和逻辑运算、数据传送和变换。算术和逻辑运算、数据传送和变换。n数字系统的功能单元数字系统的功能单元n数据处理器实现需要考虑的几个方面数据处理器实现需要考虑的几个方面u选择器件的考虑选择器件的考

4、虑u数据处理器的结构模型数据处理器的结构模型u信号的输入输出关系信号的输入输出关系u数据处理器的设计步骤数据处理器的设计步骤8数据处理器的器件选择数据处理器的器件选择n资源满足功能需求，且要一定的裕度资源满足功能需求，且要一定的裕度n性能因素：速度性能因素：速度/可靠性可靠性/功耗功耗/可测试性可测试性/n物理因素：尺寸物理因素：尺寸/散热散热/封装封装/n成本因素：器件成本成本因素：器件成本/软件成本软件成本/开发成本开发成本/维维护成本护成本/9数据处理器的结构数据处理器的结构 n数据处理器可以由寄存器和组合逻辑电路组成数据处理器可以由寄存器和组合逻辑电路组成 寄存器寄存器组合逻辑电路组合

5、逻辑电路EQ时钟信号时钟信号YZXTSn输入信号输入信号Xn输出信号输出信号Zn控制信号控制信号Tn条件信号条件信号SnY为寄存器的输入信号为寄存器的输入信号nQ为寄存器状态信号为寄存器状态信号n功能选择信号功能选择信号E10数据处理器的信号关系数据处理器的信号关系n寄存器的状态信号寄存器的状态信号Q u状态信号状态信号Q在时钟信号的有效边沿发生改变在时钟信号的有效边沿发生改变u有现态有现态(Qn)和次态和次态(Qn+1)之分之分u状态信号的关系状态信号的关系Qn+1 =F(X, Qn,T)u寄存器的次态与数据处理器的输入信号寄存器的次态与数据处理器的输入信号X、数据处、数据处理器的控制信号理

6、器的控制信号T和寄存器的现态和寄存器的现态Qn有关有关 11数据处理器的信号关系数据处理器的信号关系n数据处理器的输入信号数据处理器的输入信号Xu待处理的输入信息待处理的输入信息n数据处理器的控制信号数据处理器的控制信号Tu来自控制器的输出控制端，决定数据处理器实现哪来自控制器的输出控制端，决定数据处理器实现哪一种操作，何时有输出信号一种操作，何时有输出信号 u控制信号应是一组序列信号控制信号应是一组序列信号u常见的控制信号：常见的控制信号：CLR、ADD、INC、DEC等等 12数据处理器的信号关系数据处理器的信号关系n数据处理器的输出信号数据处理器的输出信号Zu数据处理器的输出信号数据处理

7、器的输出信号Z是输入信号是输入信号X、寄存器的、寄存器的现态现态Qn和控制信号和控制信号T的函数的函数ZG(X， Qn ，T)n数据处理器的条件信号数据处理器的条件信号S u条件信号条件信号S是通过对被处理信息的检测而产生的，是通过对被处理信息的检测而产生的，反映了被处理信息的状态反映了被处理信息的状态u数据处理器的条件信号数据处理器的条件信号S是输入信号是输入信号X、寄存器的、寄存器的状态状态Qn的函数。其表达式为：的函数。其表达式为：SR(X， Qn) 13数据处理单元设计的基本步骤数据处理单元设计的基本步骤 n组成数据处理单元逻辑框图组成数据处理单元逻辑框图n构成数据处理单元详细逻辑电路

8、图构成数据处理单元详细逻辑电路图n确定控制信号时序确定控制信号时序 14控制器控制器15数字系统的控制方式数字系统的控制方式 n数字系统有三种控制方式数字系统有三种控制方式u集中控制：仅使用一个控制器来控制整个系统算法集中控制：仅使用一个控制器来控制整个系统算法的执行，常采用同步工作方式的执行，常采用同步工作方式 u分散控制：全部的控制功能分散在各个子系统中完分散控制：全部的控制功能分散在各个子系统中完成。这种控制方式的时序可以采用同步方式，也可成。这种控制方式的时序可以采用同步方式，也可以采用异步方式以采用异步方式u集散控制：集散控制采用集中管理、分散控制的工集散控制：集散控制采用集中管理、

9、分散控制的工作方式；系统中配有系统控制器作方式；系统中配有系统控制器16控制器的结构控制器的结构 n控制器都要根据外部控制信号，按照规定的算法向数控制器都要根据外部控制信号，按照规定的算法向数据处理器发出操作指令，同时接收来自数据处理器的据处理器发出操作指令，同时接收来自数据处理器的条件信号，确定下一个计算步骤条件信号，确定下一个计算步骤n在某状态下，控制器根据接收的条件信号在某状态下，控制器根据接收的条件信号S和外部控和外部控制信号制信号C，由组合电路产生控制信号，由组合电路产生控制信号T。在时钟到来时，。在时钟到来时，存储器转换到下一个状态，确定下一个操作步骤。存储器转换到下一个状态，确定

10、下一个操作步骤。 组合逻辑电路组合逻辑电路存储电路存储电路q外部控制信号外部控制信号C时钟信号时钟信号CP条件信号条件信号S控制信号控制信号T17系统同步系统同步 n系统同步是指控制器与外部输入信号和来自数系统同步是指控制器与外部输入信号和来自数据处理单元的反馈信号之间的同步问题据处理单元的反馈信号之间的同步问题 u控制器与外部输入信号之间的同步，即异步输入信控制器与外部输入信号之间的同步，即异步输入信号的同步化号的同步化u系统控制器的输出同步系统控制器的输出同步18异步输入信号的同步化异步输入信号的同步化n由门电路构成的基本捕获单元和由门电路构成的基本捕获单元和D触发器组成触发器组成 19控

11、制器输出同步控制器输出同步 n由于两个方面的原因，输出将会出现毛刺由于两个方面的原因，输出将会出现毛刺u状态寄存器的各个状态变量不会同时改变，总是有状态寄存器的各个状态变量不会同时改变，总是有先后的，这可能引起瞬时的毛刺输出。先后的，这可能引起瞬时的毛刺输出。u若输入端到输出端所经途径不同，即传输延时不同，若输入端到输出端所经途径不同，即传输延时不同，则会出现毛刺。则会出现毛刺。n同步的基本方法：时钟触发器同步的基本方法：时钟触发器 20212223242526控制器的功能描述控制器的功能描述 n控制信号方程：控制信号方程：T = F(S，C， Qn)n状态方程：状态方程： Qn+1 = G(

12、S，C，Qn)n控制器的状态转换表控制器的状态转换表 n表中的行表示现态表中的行表示现态Qj，表中的列表示条件信号的，表中的列表示条件信号的取值取值Si，第，第j行第行第i列的内容为控制器的次态和控列的内容为控制器的次态和控制信号制信号T的值。其中，的值。其中，G(Si，C，Qj)表示控制器表示控制器的次态，的次态，F(Si，C，Qj)表示控制信号表示控制信号T的值。的值。27数字系统的算法及其描述数字系统的算法及其描述28主要内容主要内容n算法设计算法设计n数字系统算法流程图描述数字系统算法流程图描述n状态机及算法状态机图描述状态机及算法状态机图描述 n备有记忆文件的状态图备有记忆文件的状态

13、图MDS 29算法设计算法设计n考虑因素：功能与性能考虑因素：功能与性能n考虑硬件结构与资源对算法的影响考虑硬件结构与资源对算法的影响u硬件资源规模小时，考虑设计简单硬件资源规模小时，考虑设计简单u硬件资源丰富时，应该考虑提高速度等指标硬件资源丰富时，应该考虑提高速度等指标u算法必须具有硬件的可实现性算法必须具有硬件的可实现性30算法设计算法设计n算法结构算法结构u顺序算法结构：各个操作按照次序依次执行顺序算法结构：各个操作按照次序依次执行u顺序结构的执行时间与数据流个数、操作步骤等有顺序结构的执行时间与数据流个数、操作步骤等有关。关。u并行电路实现顺序算法需要一定的策略。并行电路实现顺序算法

14、需要一定的策略。31算法设计算法设计n并行算法结构并行算法结构u多个操作在同一时刻同时运行，且这些操作之间几多个操作在同一时刻同时运行，且这些操作之间几乎没有依赖关系；乎没有依赖关系；u每一个操作需要独立的硬件资源实现，因此硬件成每一个操作需要独立的硬件资源实现，因此硬件成本较大；本较大；u并行算法结构的运行速度比顺序结构高并行算法结构的运行速度比顺序结构高32算法设计算法设计n流水线结构流水线结构u把整个运算过程把整个运算过程分解成若干段，分解成若干段，系统在同一时刻系统在同一时刻可对先后输入的可对先后输入的数据流元素进行数据流元素进行不同阶段的运算。不同阶段的运算。u流水线结构几乎流水线结

15、构几乎可以在一个时钟可以在一个时钟周期内得到一个周期内得到一个结果结果速度很快速度很快(面积换速度面积换速度)33数字系统算法流程图描述数字系统算法流程图描述n算法流程图是一种描述数字系统硬件操作功能算法流程图是一种描述数字系统硬件操作功能的图形方法。的图形方法。n由于描述硬件的动作，某些结构存在并发性。由于描述硬件的动作，某些结构存在并发性。34算法流程图的符号及其描述方法算法流程图的符号及其描述方法n启动框和结束框启动框和结束框u启动框和结束框表示该算法流程图的开始和结束启动框和结束框表示该算法流程图的开始和结束35算法流程图的符号及其描述方法算法流程图的符号及其描述方法n工作框工作框u用

16、矩形框表示用矩形框表示u框内用文字说明该工作框所对应的硬件操作内容及框内用文字说明该工作框所对应的硬件操作内容及对应的输出信号对应的输出信号u算法流程图与硬件的功能应有很好的对应关系。一算法流程图与硬件的功能应有很好的对应关系。一个工作框的功能很容易地映射成为一个的逻辑电路。个工作框的功能很容易地映射成为一个的逻辑电路。 36算法流程图的符号及其描述方法算法流程图的符号及其描述方法n判断框判断框u判断框用菱形框来描述。判断框用菱形框来描述。u框内给出判断量和判断条框内给出判断量和判断条件。根据不同的判断结果，件。根据不同的判断结果，算法流程图将确定转向不算法流程图将确定转向不同的后继操作。同的

17、后继操作。u判断框必定有两个或两个判断框必定有两个或两个以上的后续操作，当后续以上的后续操作，当后续操作超过操作超过3个时可以用若个时可以用若干个判断框连接来描述。干个判断框连接来描述。37算法流程图的符号及其描述方法算法流程图的符号及其描述方法n条件框条件框u条件框用圆角矩形来表示。条件框用圆角矩形来表示。u条件框一定与判断框的一条件框一定与判断框的一个分支相连，且仅当该分个分支相连，且仅当该分支条件满足时，条件框中支条件满足时，条件框中所表明的操作才被执行。所表明的操作才被执行。u条件框描述了硬件操作的条件框描述了硬件操作的并发性：条件框的操作是并发性：条件框的操作是与判断结果同时发生的与

18、判断结果同时发生的 。38算法流程图的符号及其描述方法算法流程图的符号及其描述方法n示例：串行加法器示例：串行加法器u串行加法器是利用一位加法器实现两个多位二进制串行加法器是利用一位加法器实现两个多位二进制数据相加的电路。数据相加的电路。u四位串行加法器电路的组成：加法控制电路四位串行加法器电路的组成：加法控制电路/累加累加器器(ACC)/加数寄存器加数寄存器/一位全加器和进位位寄存器。一位全加器和进位位寄存器。 39算法流程图的符号及其描述方法算法流程图的符号及其描述方法n示例：串行加法器示例：串行加法器40算法流程图的符号及其描述方法算法流程图的符号及其描述方法n乘法器乘法器步骤步骤操作内

19、容操作内容被乘数被乘数 乘数乘数备注备注1初始化初始化9位寄存器，乘数最低位为位寄存器，乘数最低位为“1”，故加被乘数故加被乘数 0 0000 1001 0101 0 0101 1001M=12右移右移1位，最低位为位，最低位为“0”，不加被乘数，不加被乘数 0 0010 1100M=03右移右移1位，最低位为位，最低位为“0”，不加被乘数，不加被乘数 0 0001 0110M=04右移右移1位，最低位为位，最低位为“1”，加被乘数，加被乘数 0 0000 1011 0101 0 0101 1011M=15右移右移1位，产生乘法结果位，产生乘法结果 0 0010 110141算法流程图的符号及

20、其描述方法算法流程图的符号及其描述方法n乘法器乘法器42算法流程图的符号及其描述方法算法流程图的符号及其描述方法n乘法器乘法器43状态机及算法状态机图描述状态机及算法状态机图描述44状态机分类及其特点状态机分类及其特点 n控制器根据时序输出信号产生的机理不同，可控制器根据时序输出信号产生的机理不同，可以分成两类：以分成两类：u米勒米勒(Mealy)型型u摩尔摩尔(Moore)型型45状态机分类及其特点状态机分类及其特点nMealy型时序电路型时序电路u一个组合逻辑电路一个组合逻辑电路/一个状态寄存器一个状态寄存器u电路的特点：输出不仅与当前状态有关，而且还与电路的特点：输出不仅与当前状态有关，

21、而且还与输入有关。输入有关。46状态机分类及其特点状态机分类及其特点nMoore型时序电路型时序电路u输入信号输入信号X和状态锁存时钟和状态锁存时钟clk，输出只有一个，输出只有一个Y，其输出其输出Y值仅与当前的状态值有关，而与输入值仅与当前的状态值有关，而与输入X值值无关。无关。 47算法状态机流程图的符号算法状态机流程图的符号 n状态框状态框u方框内标注状态名和输出信号清单方框内标注状态名和输出信号清单u上方的箭头表示进入该状态，箭头的右方标注该状上方的箭头表示进入该状态，箭头的右方标注该状态在系统中的编码态在系统中的编码u下方箭头表示该状态转离的方向下方箭头表示该状态转离的方向48算法状

22、态机流程图的符号算法状态机流程图的符号n判断框判断框u用一个菱形框来表示用一个菱形框来表示u上方箭头表示进入该框的上方箭头表示进入该框的方向方向u左右两个箭头表示根据框左右两个箭头表示根据框内标明的条件取值不同而内标明的条件取值不同而转离的方向转离的方向u条件所取的值将标注在箭条件所取的值将标注在箭头线的上方头线的上方49算法状态机流程图的符号算法状态机流程图的符号n条件输出框条件输出框u用圆角矩形框表示。用圆角矩形框表示。u上方箭头表示条件值转入的方上方箭头表示条件值转入的方向，该带箭头的线一定与判断向，该带箭头的线一定与判断框的一个分支相连，且继承对框的一个分支相连，且继承对应分支的条件值

23、。应分支的条件值。u下方的箭头表示转离的方向。下方的箭头表示转离的方向。u框内标注条件的输出信号清单。框内标注条件的输出信号清单。50算法状态机图描述实例算法状态机图描述实例 n化简算法状态机图化简算法状态机图 51算法状态机图描述实例算法状态机图描述实例n算法状态机图的反馈通道描述算法状态机图的反馈通道描述u算法状态机图中可以有内部的反馈通道，内部反馈算法状态机图中可以有内部的反馈通道，内部反馈通道的箭头应指向某一个状态的输入线通道的箭头应指向某一个状态的输入线 52算法状态机图描述实例算法状态机图描述实例n算法状态机图的串并结构变换算法状态机图的串并结构变换u速度与面积的转换速度与面积的转

24、换53算法流程图至状态图的变换方法算法流程图至状态图的变换方法 n算法流程图至状态图的变换主要有以下几个步算法流程图至状态图的变换主要有以下几个步骤：骤：u(a)系统状态分配：系统状态分配：先对算法流程图进行抽象，对其工作过程进行划分。每先对算法流程图进行抽象，对其工作过程进行划分。每个相对独立的操作状态就可以定义为一个状态个相对独立的操作状态就可以定义为一个状态u(b)确定各状态的输出确定各状态的输出u(c)确定输入信号及状态转移条件确定输入信号及状态转移条件54状态图至算法状态机图的变换方法状态图至算法状态机图的变换方法 n通常将状态图变换成算法状态机图通常将状态图变换成算法状态机图(AS

25、M)需经需经过以下几个步骤：过以下几个步骤：u(a)对现有状态进行编码对现有状态进行编码u(b)各输出信号的确定各输出信号的确定u(c)按状态编码顺序画出算法状态机图按状态编码顺序画出算法状态机图n示例：示例：P147/P14855C语言流程图至算法状态机图的变换语言流程图至算法状态机图的变换 n(1)顺序结构：顺序结构：u顺序结构部分可以归结在一个状态中，因为一般顺顺序结构部分可以归结在一个状态中，因为一般顺序操作中不会改变系统的工作状态。序操作中不会改变系统的工作状态。n(2)分支结构：分支结构：u分支程序的条件量是系统状态的输入，不同条件将分支程序的条件量是系统状态的输入，不同条件将转向

26、不同的状态，从而发生状态转移。转向不同的状态，从而发生状态转移。n(3)循环结构：循环结构：u循环程序以循环变量为条件量，该条件量通常是一循环程序以循环变量为条件量，该条件量通常是一个计数值。当计数值达到指定值时，条件满足，状个计数值。当计数值达到指定值时，条件满足，状态发生转移，这一点与分支结构相类似。态发生转移，这一点与分支结构相类似。 56备有记忆文件的状态图备有记忆文件的状态图MDS 57MDS图的表达符号图的表达符号 n用写有标识符的圆圈来表示系统的状态，并以用写有标识符的圆圈来表示系统的状态，并以标识符表示该状态标识符表示该状态n状态之间的箭头连接表示状态的转换。状态之间的箭头连接

27、表示状态的转换。n状态旁边的表达式表示输出。状态旁边的表达式表示输出。u(1)无条件输出：直接用输出标识符无条件输出：直接用输出标识符Y表示；表示；u(2)输出无效：用标识符输出无效：用标识符“Y”表示；表示；u(3)脉冲输出：表示进入该系统时输出有效，退出脉冲输出：表示进入该系统时输出有效，退出该系统时输出无效，用标识符该系统时输出无效，用标识符“Y”表示；表示；u(4)条件输出。用带有条件表达式的输出量表示，条件输出。用带有条件表达式的输出量表示，如如Y=SiE 58MDS图的建立图的建立 n(1)将工作框转换为状态助记符：将工作框转换为状态助记符：u用圆表示状态，圆中的字母为状态值的助记

28、符用圆表示状态，圆中的字母为状态值的助记符n(2)判断框转换为分支助记符判断框转换为分支助记符n(3)多个判断框转换为条件分支助记符多个判断框转换为条件分支助记符n(4)含有异步输入信号的判断条件的转换：在含有异步输入信号的判断条件的转换：在两个工作框之间只允许存在一个异步输入信号两个工作框之间只允许存在一个异步输入信号n(5)输出信号转换为助记符：详细逻辑流程图输出信号转换为助记符：详细逻辑流程图中的输出信号有脉冲输出信号、输出有效、输中的输出信号有脉冲输出信号、输出有效、输出无效和条件输出信号等出无效和条件输出信号等4种。种。 n(6)输出信号的表格表达形式输出信号的表格表达形式 59数字系统设计的基本步骤数字系统设计的基本步骤 60数字系统设计的一般步骤数字系统设计的一般步骤 n1. 系统需求分析系统需求分析n2. 算法设计算法设计n3. 算法描述算法描述n4. 系统结构选择系统结构选择n5. 系统具体设计系统具体设计n6. 系统仿真与验证系统仿真与验证61数字系统并发处理的设计数字系统并发处理的设计 n(1)简单的前后合并处理简单的前后合并处理n(2)正向引用合并处理正向引用合并处理n(3)分支条件与处理合并分支条件与处理合并n(4)分支条件合并分支条件合并n(5)时间空间拓展时间空间拓展