1、第十二章第十二章 数字系统设计基础数字系统设计基础一一 数字系统的概念数字系统的概念 按按一定方式联系起来的一群事物所构成的总一定方式联系起来的一群事物所构成的总体，称为体，称为系统。系统。能够对数字信息进行能够对数字信息进行传递，加工，传递，加工，处理处理的电子设备，称为的电子设备，称为数字系统。数字系统。如果把数字系统比喻成一个人如果把数字系统比喻成一个人,那么那么数据处数据处理器就像人的手和脚理器就像人的手和脚,能够完成各种操作。但要能够完成各种操作。但要想完成一个复杂的工作必须由大脑协调控制；想完成一个复杂的工作必须由大脑协调控制；控控制器在数字系统中就起到了大脑的作用。制器在数字系统
2、中就起到了大脑的作用。数字系统数字系统数据处理器数据处理器控制器控制器人的手和脚人的手和脚人的大脑人的大脑数据处理器：数据处理器：由寄存器，存储器和执行算术运算，逻由寄存器，存储器和执行算术运算，逻辑运算等逻辑部件组成。辑运算等逻辑部件组成。主要任务：主要任务：传送数据，并对数据进行运算和判断。传送数据，并对数据进行运算和判断。控制器：控制器：时序逻辑电路。时序逻辑电路。作用：作用：保证数据处理器有条不紊地按正确的时序进行保证数据处理器有条不紊地按正确的时序进行数据处理和加工。数据处理和加工。因此，大体上可以说，有没有控制器是区别功能因此，大体上可以说，有没有控制器是区别功能部件和系统设备的部
3、件和系统设备的标志标志。凡是包含控制器又能按程序。凡是包含控制器又能按程序进行操作的系统，不论其规模大小，均称为进行操作的系统，不论其规模大小，均称为数字系统。数字系统。没有控制器没有控制器，且又不能按程序进行操作的电路，且又不能按程序进行操作的电路，不管其规模大小（如：大容量存储器），均不能称为不管其规模大小（如：大容量存储器），均不能称为系统，只能算一个系统，只能算一个部件部件。控制器接受外部控制信号和数据处理的状态信号控制器接受外部控制信号和数据处理的状态信号综合成各种控制信号，通知数据处理器下一步应执行综合成各种控制信号，通知数据处理器下一步应执行什么操作，并输出状态信号以及数据处理器
4、所执行操什么操作，并输出状态信号以及数据处理器所执行操作的情况。作的情况。二、数字系统的设计任务二、数字系统的设计任务 三、数字系统的设计方法三、数字系统的设计方法1 1、设计步骤、设计步骤 第一步骤：第一步骤：用一定格式的数学语言（工具）来描述用一定格式的数学语言（工具）来描述待设计的数字系统。在这一步骤中，待设计的数字系统。在这一步骤中，常用的描述工具常用的描述工具有四种。有四种。1.1.用规范化和形式化的方式作出正确的系统逻用规范化和形式化的方式作出正确的系统逻辑功能描述；辑功能描述；2.2.设计具体的电路来实现所描述的系统逻辑功能。设计具体的电路来实现所描述的系统逻辑功能。（1）逻辑流
5、程图）逻辑流程图（2）ASM图（算法状态机）图（算法状态机）用一些典型的几何图形、（用一些典型的几何图形、（等等)指向线和简练文字说明，来描述数字系统的基指向线和简练文字说明，来描述数字系统的基本工作过程。它与软件设计中的流程图十分相本工作过程。它与软件设计中的流程图十分相似。似。它是一种硬件流程图语言，用状态块、判它是一种硬件流程图语言，用状态块、判断块、条件输出块断块、条件输出块 图形符号和文字符号等来图形符号和文字符号等来描述数字系统控制器，在不同时间内完成一系描述数字系统控制器，在不同时间内完成一系列的操作。列的操作。（3）MDS图（备有记忆文件的状态图）图（备有记忆文件的状态图）它与
6、我们熟悉的状态图十分相似，是一种简练并它与我们熟悉的状态图十分相似，是一种简练并扩展功能的状态图，以状态图的形式来描述数字系统扩展功能的状态图，以状态图的形式来描述数字系统控制器的控制过程。控制器的控制过程。（4）RTL（寄存器传送语言）寄存器传送语言）寄存器传送语言是一种硬件程序语言，它是设寄存器传送语言是一种硬件程序语言，它是设计数字系统和使设计过程走向自动化的工具。计数字系统和使设计过程走向自动化的工具。第二步骤：第二步骤：根据采用电路结构器件类型，进行适当的根据采用电路结构器件类型，进行适当的逻辑变换，得到符合某个标准的硬件实施方案。逻辑变换，得到符合某个标准的硬件实施方案。（1 1）
7、试凑法）试凑法 对于给定的设计任务，在明确设计要求之对于给定的设计任务，在明确设计要求之后，从器件产品手册中查找一些后，从器件产品手册中查找一些SSISSI、MSIMSI、LSILSI器件（芯片），由于这些器件的逻辑功能和要器件（芯片），由于这些器件的逻辑功能和要解决的问题，不可能完全相同，设计者则充分解决的问题，不可能完全相同，设计者则充分发挥其创造性，想办法，找窍门，用附加电路发挥其创造性，想办法，找窍门，用附加电路修修补补完善其功能，拼拼凑凑组合成系统。修修补补完善其功能，拼拼凑凑组合成系统。这种由局部到整体的设计方法，通常被称为：这种由局部到整体的设计方法，通常被称为：自下而上的设计方
8、法（自下而上的设计方法（Bottom-up）。）。显然显然 ，这种设计方法没有一定的规律可循，这种设计方法没有一定的规律可循，设计质量和水平，取决于设计者的丰富经验和设计质量和水平，取决于设计者的丰富经验和技能技能。(2)自上而下的设计方法自上而下的设计方法(TOP-DOWN)自上而下的设计方法是由整体向局部深入自上而下的设计方法是由整体向局部深入的设计方法。的设计方法。基本思想：基本思想：1)是把规模较大的数字系统，从逻辑上划是把规模较大的数字系统，从逻辑上划分为分为数据处理器数据处理器和和控制器控制器两大部分。两大部分。2)采用逻辑流程图、采用逻辑流程图、ASM图（或图（或MDS图）图）来
9、描述控制器的控制过程，并根据控制器和数来描述控制器的控制过程，并根据控制器和数据处理器的逻辑功能，选择相适应的据处理器的逻辑功能，选择相适应的SSI、MSI和和LSI器件实现。器件实现。总结：总结：自上而下的设计方法，可以按照一些自上而下的设计方法，可以按照一些设计步骤，一步一步地去实现设计方案，设计步骤，一步一步地去实现设计方案，其设其设计思想清晰，有一定规律可遵循。计思想清晰，有一定规律可遵循。有时有时,上述控制器和数据处理器又可以分别上述控制器和数据处理器又可以分别看成一个数字系统看成一个数字系统,逻辑划分工作也可以在它们逻辑划分工作也可以在它们内部重复地进行。按此设计思想，一个大的数内
10、部重复地进行。按此设计思想，一个大的数字系统可以逐次进行逻辑划分，由多人按照协字系统可以逐次进行逻辑划分，由多人按照协议进行设计，最后把它们连接起来，便可得到议进行设计，最后把它们连接起来，便可得到所要求的数字系统。所要求的数字系统。Top-Down的基本设计步骤：的基本设计步骤：1）明确设计系统的逻辑功能。）明确设计系统的逻辑功能。2）确定系统方案（）确定系统方案（注注：这一步是最难、：这一步是最难、最有创造性的一步，也是设计的关键阶段）。最有创造性的一步，也是设计的关键阶段）。3）逻辑划分）逻辑划分 把系统划分为把系统划分为数据处理器数据处理器和和控制器控制器两部分，两部分，并具体地规定它
11、的逻辑要求。并具体地规定它的逻辑要求。4）设计数据处理器）设计数据处理器设计原则：设计原则：数据处理器的组成应该是简单、易数据处理器的组成应该是简单、易 控制的。控制的。5）设计控制器）设计控制器 控制器的设计是数字系统设计中的控制器的设计是数字系统设计中的核心问核心问题题。一般由硬件控制或软件控制（微处理器实。一般由硬件控制或软件控制（微处理器实现）。现）。基本任务：基本任务：是由是由ASM图导出相应的硬件实施图。图导出相应的硬件实施图。2、利用微机实现数字系统设计、利用微机实现数字系统设计 目前，由于电子技术的迅速发展，微机已目前，由于电子技术的迅速发展，微机已深入到各行各业各个领域内，应
12、用十分广泛。深入到各行各业各个领域内，应用十分广泛。所以对于规模较大的数字系统，采用微机设计所以对于规模较大的数字系统，采用微机设计是非常方便的，并且工作可靠是非常方便的，并且工作可靠 价格便宜。价格便宜。12.1.1 数字系统的基本模型数字系统的基本模型(1)输入接口：完成输入接口：完成A/D转换、同步化处理等转换、同步化处理等;(2)输出接口：完成输出接口：完成D/A转换输出各类信号转换输出各类信号;(3)数据处理器（受控电路）：信息的传送、处理。数据处理器（受控电路）：信息的传送、处理。(4)控制器（控制电路）控制器（控制电路）:完成对数据处理器的控制。完成对数据处理器的控制。)C,Q,
13、X(FQnn1),(CQXGZ),(QXRS 图图11.1.2 数据处理器模型数据处理器模型组合逻辑网络组合逻辑网络QmQ1 m 1输入输入信号信号输出输出信号信号S控制网络控制网络 m 1CXZ一一 数据处理器的构成数据处理器的构成组合网络组合网络寄存器组寄存器组控制网络控制网络数据处理器数据处理器1.组合网络组合网络功能：功能：在控制信号的在控制信号的作用下，组合逻辑网作用下，组合逻辑网络根据内部寄存器的络根据内部寄存器的现态（现态（Qn）和输入信和输入信息（息（X），），综合生成寄综合生成寄存器的次态、输出信存器的次态、输出信息（息（Z）、）、和状态信号和状态信号（S）。）。最后，实现要
14、最后，实现要求的数据加工和处理求的数据加工和处理操作。操作。在设计过程中，控制信号（在设计过程中，控制信号（C）常用助记符表示常用助记符表示为：为：CLR、ADD、INC、DEC、NOP等。等。2.寄存器组寄存器组功能：功能：用来暂存操用来暂存操作处理中的源数据作处理中的源数据和中间结果和中间结果。3.控制网络控制网络 该网络根据来自该网络根据来自控制单元的控制信号控制单元的控制信号C生成内部寄存器传送生成内部寄存器传送信号信号 （1.m),加在寄存器的加在寄存器的功能控功能控制端制端（比如：（比如：74194的的M0M1的控制端）。由的控制端）。由这些传送信号决定数据处理器的传送操作。这些传
15、送信号决定数据处理器的传送操作。二二 数据处理器的描述方法数据处理器的描述方法明细表有两个子表：明细表有两个子表：操作表操作表和和状态变量表状态变量表。操作表：操作表：列出在控制信号下，数据处理器应列出在控制信号下，数据处理器应实现的操作。实现的操作。状态变量表：状态变量表：定义数据处理器输出的状态定义数据处理器输出的状态变量和信号。变量和信号。明细表是用来描述处理器的具体操作过程，也就明细表是用来描述处理器的具体操作过程，也就是把一个时钟期间能同时实现的操作归并在一起，作是把一个时钟期间能同时实现的操作归并在一起，作为一个操作步骤，再用助记符号表示控制信号。为一个操作步骤，再用助记符号表示控
16、制信号。AB组合电路组合电路 S C X Z 举例：假设有一个简单数据处理器如图所示：举例：假设有一个简单数据处理器如图所示：输入信号输入信号X，控制信号控制信号C1、C2、C3和和C4（分别记分别记为为NOP、ADDA、ADDB和和CLRAB），），两个寄存两个寄存器器A、B。输出状态信号输出状态信号S1、S2及信号及信号Z。控制器控制器组合逻辑网络组合逻辑网络状态寄存器（状态寄存器（Q）1.模型模型三三 控制器的构成控制器的构成组合逻辑网络组合逻辑网络外部输入外部输入控制信号控制信号外部输出外部输出控制信号控制信号S(Q)状态状态寄存器寄存器C现态现态激励信号激励信号图图12.1.3 控制
17、器模型控制器模型控制器的描述方法：状态转移图或状态转移表控制器的描述方法：状态转移图或状态转移表C=F（S，Q）Qn+1=G（S，Qn）2.控制器的任务控制器的任务 用来产生与操作序列用来产生与操作序列相对应的控制信号序列，相对应的控制信号序列，每个控制信号控制数据处每个控制信号控制数据处理器执行与算法相关的一理器执行与算法相关的一个操作个操作。(1)C为本系统向外部发出的控制信号；为本系统向外部发出的控制信号；(2)X是由外系统过来的控制信号；是由外系统过来的控制信号；(3)C=外部输入外部输入X+算法现态算法现态+S（处理器的状态）处理器的状态）3.控制器的设计控制器的设计以以状态转移表状
18、态转移表 或或状态转移图状态转移图为设计依据。为设计依据。四、数字系统的工作过程四、数字系统的工作过程 在某一个计算步骤下，控制器发出控制信在某一个计算步骤下，控制器发出控制信号号C给处理器。处理器完成规定的操作，并发给处理器。处理器完成规定的操作，并发出一个状态变量（出一个状态变量（S）给控制器。控制器在接收给控制器。控制器在接收外部输入的控制信号和处理器反馈给控制器的外部输入的控制信号和处理器反馈给控制器的状态变量（状态变量（S），），再决定下一个计算步骤。再决定下一个计算步骤。12.1.2 对对数字系统时序的数字系统时序的约定约定1.1.同步数字系统同步数字系统(1)只有一个系统时钟；只
19、有一个系统时钟；(2)输入信号都与系统时钟同步；输入信号都与系统时钟同步；(3)系统时钟同时到达所有存储元件的时钟系统时钟同时到达所有存储元件的时钟脉冲脉冲 输入端。输入端。时钟脉冲有效边沿到达之前：时钟脉冲有效边沿到达之前：所有与操作有关的信号都应达到稳定值。所有与操作有关的信号都应达到稳定值。时钟脉冲有效边沿到达之后：时钟脉冲有效边沿到达之后：（1）寄存器状态）寄存器状态Q更新，同时输入信号更新，同时输入信号X变化，根变化，根据据S=R（X，Q），形成新的状态变量），形成新的状态变量S。（2）S稳定后，控制器根据稳定后，控制器根据C=F（S，Q）（其中）（其中Q是已更新的寄存器状态）形成控
20、制信号是已更新的寄存器状态）形成控制信号C。（3）C稳定以后，建立稳定的稳定以后，建立稳定的 信号和电路的输出信信号和电路的输出信号号Z=G（X,Q,C）。）。最小周期由以上操作时间决定。最小周期由以上操作时间决定。2.最小时钟周期最小时钟周期 组合逻辑网络组合逻辑网络QmQ1 m 1输入输入信号信号输出输出信号信号S控制网络控制网络 m 1CXZ组合逻辑网络组合逻辑网络外部输入外部输入控制信号控制信号外部输出外部输出控制信号控制信号(Q)状态状态寄存器寄存器现态现态最小时钟周期最小时钟周期)C,Q,X(FQnn11),(4CQXGZ )Q,X(RS 2(3)C=F（S，Q）(1)Qn+1=G
21、（S，Qn）CP(1)后后Q 更新更新,X变化变化,形成新的形成新的S 稳定，形成稳定，形成C稳定后，建立稳定后，建立和和 稳定、稳定、Z（输出）稳定（输出）稳定CP(2)之前之前3.3.异步输入信号转换成同步输入信号异步输入信号转换成同步输入信号 异步输入信号异步输入信号：早于或晚于系统时钟有效沿出早于或晚于系统时钟有效沿出现的输入信号。现的输入信号。同步化处理的同步化处理的思路思路：(1)将异步输入信号寄存并保留到下一个系统将异步输入信号寄存并保留到下一个系统时钟出现为止；时钟出现为止；(2)让同步化后的输入与当前系统时钟的有效时让同步化后的输入与当前系统时钟的有效时刻同时出现，并保持一个
22、时钟周期。刻同时出现，并保持一个时钟周期。12.1.3数字系统的设计步骤数字系统的设计步骤 1.系统设计系统设计（1）确定输出和输入之间的关系，找到实现数）确定输出和输入之间的关系，找到实现数字系统的字系统的设计原理和方法。设计原理和方法。（2）划分系统的控制单元和受控单元，确定初）划分系统的控制单元和受控单元，确定初始结构框图。始结构框图。（3）建立算法流程图，表示解决问题的步骤。）建立算法流程图，表示解决问题的步骤。明确设明确设计任务计任务确定初确定初始结构始结构算法流算法流程图程图ASM图图（4）根据一定的规则将算法流程图转换成）根据一定的规则将算法流程图转换成ASM图。图。当系统中各个
23、子系统（指最低层子系统）或部当系统中各个子系统（指最低层子系统）或部件的逻辑功能和结构确定后，采用比较规范的件的逻辑功能和结构确定后，采用比较规范的形式来描述系统的逻辑功能。形式来描述系统的逻辑功能。数据处理器设计数据处理器设计控制器设计控制器设计 建立操作明细表建立操作明细表 建立状态转移表建立状态转移表2、逻辑设计、逻辑设计选择合理的器件和连接关系，以实现系统逻选择合理的器件和连接关系，以实现系统逻辑要求。电路设计的结果常采用两种方式来辑要求。电路设计的结果常采用两种方式来表达：表达：电路图方式、硬件描述语言方式电路图方式、硬件描述语言方式。3、电路设计、电路设计确定初始结构框图，确定初始结构框图，建立算法流程图建立算法流程图推导推导ASM图图系统设计系统设计确定数据处理确定数据处理明细表明细表推导控制器状态推导控制器状态转移表转移表选择具体的集选择具体的集成电路实现处成电路实现处理器理器根据状态转移根据状态转移表实现控制器表实现控制器的电路的电路逻辑设计逻辑设计电路设计电路设计图图12.1.6 数字系统设计步骤框图数字系统设计步骤框图
