數(shù)字邏輯教學(xué)數(shù)字電路[2]課件

1、第六章第六章 數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)6.1 6.1 數(shù)字系統(tǒng)的基本概念數(shù)字系統(tǒng)的基本概念1. 1. 數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)定義：定義：具有存儲、傳輸、處理信息能力的邏輯系統(tǒng)集合。具有存儲、傳輸、處理信息能力的邏輯系統(tǒng)集合。由由“數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路+ +控制邏輯控制邏輯”構(gòu)成，其工作具有構(gòu)成，其工作具有周期性周期性。2 2） 數(shù)字系統(tǒng)的基本構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)的基本構(gòu)成由五大部件組成。由五大部件組成。 CPU邏輯系統(tǒng)邏輯系統(tǒng)五大部件通過總線和接口連接。五大部件通過總線和接口連接。數(shù)數(shù)字字系系統(tǒng)統(tǒng)控制部件控制部件執(zhí)行部件執(zhí)行部件算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元 ALUALU寄存器寄存器存儲器存儲器運算器運算器累加寄存器累加寄存

2、器通用寄存器通用寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)1 1） 運算器運算器對信息進(jìn)行加工處理（算術(shù)、邏輯、傳輸）。對信息進(jìn)行加工處理（算術(shù)、邏輯、傳輸）。全部操作都全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號來指揮的。是由控制器發(fā)出的控制信號來指揮的。2. 2. 基本子系統(tǒng)基本子系統(tǒng)運算器運算器算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元累加寄存器累加寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器通用寄存器通用寄存器運算運算暫存操作數(shù)和運算結(jié)果。暫存操作數(shù)和運算結(jié)果。存放算術(shù)邏輯單元在工存放算術(shù)邏輯單元在工作中產(chǎn)生的狀態(tài)信息。作中產(chǎn)生的狀態(tài)信息。暫存操作數(shù)或數(shù)據(jù)地址。減暫存操作數(shù)或數(shù)據(jù)地址。減少訪問內(nèi)存，提高速度。少訪問內(nèi)存，提

3、高速度。狀狀態(tài)態(tài)標(biāo)標(biāo)志志寄寄存存器器累加寄存器累加寄存器累加寄存器累加寄存器ALUALUB BA A結(jié)果結(jié)果C=A+BC=A+B標(biāo)志標(biāo)志每位對應(yīng)一個特征每位對應(yīng)一個特征算術(shù)邏輯運算部件算術(shù)邏輯運算部件ALU ALU （Arithmetical Logic UnitArithmetical Logic Unit）2 2） 控制器控制器數(shù)字系統(tǒng)與邏輯功能部件的區(qū)別：有無控制器。數(shù)字系統(tǒng)與邏輯功能部件的區(qū)別：有無控制器。發(fā)出控制命令，指揮、控制各部件協(xié)調(diào)工作的中心部件。發(fā)出控制命令，指揮、控制各部件協(xié)調(diào)工作的中心部件。實現(xiàn)方法：實現(xiàn)方法：全硬件控制器、微程序控制器。全硬件控制器、微程序控制器?？刂泼?/p>

4、令控制命令電位型電位型脈沖型脈沖型控制門電路控制門電路控制數(shù)據(jù)打入寄存器控制數(shù)據(jù)打入寄存器6.2 6.2 數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路由控制器完成在各寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路。由控制器完成在各寄存器之間建立數(shù)據(jù)通路。數(shù)據(jù)通路：數(shù)據(jù)通路：數(shù)據(jù)信號、控制信號。數(shù)據(jù)信號、控制信號。在各部件之間傳送信息的公共通路，稱為在各部件之間傳送信息的公共通路，稱為數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路。由由總線總線連接的連接的運算單元（組合電路）運算單元（組合電路）和和存儲單元存儲單元構(gòu)成。構(gòu)成。用來分時地發(fā)送與接收各部件信息的公共傳送線路。用來分時地發(fā)送與接收各部件信息的公共傳送線路。特點：特點：多源、分時多源、分時1. 1. 總線總線 總線的

5、邏輯結(jié)構(gòu)總線的邏輯結(jié)構(gòu)總總線線單向總線：選擇器方式單向總線：選擇器方式雙向總線：三態(tài)門方式雙向總線：三態(tài)門方式 選擇器方式：選擇器方式：Register ARegister BRegister CRegister D MUX 1 MUX 2 AdderA1A0S3S2Register ARegister BRegister CRegister D Adder MUX 1 MUX 2A1A0S3S2LDLDA ALDLDB BLDLDC CLDLDD D 三態(tài)門方式：三態(tài)門方式：2. 2. 數(shù)據(jù)通路實例數(shù)據(jù)通路實例ALUEAEBRDARDBWRB16字通用寄存器組RA輸出B輸出CIR控制器LDI

6、RB地址選擇A地址選擇控制信號LDARMAR存儲器RAMMRDMWRBUSBUSALU BUSM+1LDCS3S2S1S0ABRB BUS寄存器控制信號：寄存器控制信號：接受方：打入脈沖；接受方：打入脈沖；發(fā)送方：三態(tài)門。發(fā)送方：三態(tài)門。 從寄存器到寄存從寄存器到寄存器的操作器的操作R RA A R RB B R RB BRDARDB A 16個個 B 通用寄存器通用寄存器（寫入）（寫入） RA RBALUALULALBEnB RCLCWRBADD雙總線通路雙總線通路RDB A 16個個 B 通用寄存器通用寄存器（寫入）（寫入） RA RBALUALULALBEnB RCLCWRBADD單總線

7、通路單總線通路 從寄存器到存儲從寄存器到存儲器的操作器的操作R RB B RAM RAMRDB A 16個個 B 通用寄存器通用寄存器（寫入）（寫入） RA RBALULBEn RAMMWREn A 16個個 B 通用寄存器通用寄存器（寫入）（寫入） RA RBALULB RAM 從存儲器到寄存從存儲器到寄存器的操作器的操作WRBRAMRAM R RB BMRD6.3 6.3 數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法一一. . 設(shè)計步驟設(shè)計步驟自頂向下方法自頂向下方法（from top to down from top to down ）：）：步驟：步驟：1. 1. 劃分子系統(tǒng)、模塊劃分子系統(tǒng)、模

8、塊數(shù)據(jù)處理器、控制器；數(shù)據(jù)處理器、控制器；基本方法：是將規(guī)模較大的系統(tǒng)從邏輯上劃分為基本方法：是將規(guī)模較大的系統(tǒng)從邏輯上劃分為控制電路控制電路受控電路。受控電路。2. 2. 數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路（不唯一）（不唯一）4. 4. 設(shè)計控制器設(shè)計控制器 硬布線控制器、微程序控制器。硬布線控制器、微程序控制器。5. 5. 設(shè)計數(shù)據(jù)處理器設(shè)計數(shù)據(jù)處理器 ASMASM圖圖（A Arithmetic rithmetic S State tate M Machine Flowchart achine Flowchart ）；）； MDSMDS圖圖（M Mnemonic nemonic D Documented o

9、cumented S State tate ） 。3. 3. 用數(shù)學(xué)語言用數(shù)學(xué)語言( (工具工具) )，描述控制器的控制過程，描述控制器的控制過程特點：特點： 描述控制器的控制狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系；描述控制器的控制狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系； 可精確地表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時間關(guān)系可精確地表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時間關(guān)系。ASMASM圖：圖：用狀態(tài)框、判斷框、條件輸出框和文字來描述用狀態(tài)框、判斷框、條件輸出框和文字來描述數(shù)字系統(tǒng)控制器，在不同時間內(nèi)完成的操作。數(shù)字系統(tǒng)控制器，在不同時間內(nèi)完成的操作。二二. . 算法狀態(tài)機(jī)算法狀態(tài)機(jī)1. ASM 1. ASM 流程圖流程圖000（P）001（Q）010（R）框內(nèi)：控制命令框內(nèi)：

10、控制命令1) 1) 狀態(tài)框狀態(tài)框代表系統(tǒng)一個狀態(tài)的矩形框。代表系統(tǒng)一個狀態(tài)的矩形框。在規(guī)定數(shù)量脈沖作用下實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)在規(guī)定數(shù)量脈沖作用下實現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。換。LDA2) 2) 條件判斷框條件判斷框?qū)刂破鬏斎胄盘柕呐袛?。對控制器輸入信號的判斷?？騼?nèi)：檢測條件框內(nèi)：檢測條件在給定的狀態(tài)下，判斷條在給定的狀態(tài)下，判斷條件滿足時才發(fā)生的輸出。件滿足時才發(fā)生的輸出。入口：判斷框的輸出入口：判斷框的輸出出口：指向狀態(tài)框出口：指向狀態(tài)框3) 3) 條件輸出框條件輸出框框內(nèi)：控制命令框內(nèi)：控制命令和狀態(tài)框相連的判斷框、條件輸出框都屬于該狀態(tài)框，它和狀態(tài)框相連的判斷框、條件輸出框都屬于該狀態(tài)框，它們的操作是在同一狀

11、態(tài)周期下完成的。們的操作是在同一狀態(tài)周期下完成的。A A狀態(tài)周期狀態(tài)周期C C狀態(tài)周期狀態(tài)周期B B狀態(tài)周期狀態(tài)周期狀態(tài)改變狀態(tài)改變TT1打入命令打入命令T2狀態(tài)周期狀態(tài)周期：每一個狀態(tài)所經(jīng)歷的時間。：每一個狀態(tài)所經(jīng)歷的時間。狀態(tài)狀態(tài)單元單元2. MDS2. MDS圖和圖和ASMASM圖的轉(zhuǎn)換：圖的轉(zhuǎn)換：S1XZ101S2X01S3X01例：將四位二進(jìn)制數(shù)例：將四位二進(jìn)制數(shù)X X，Y Y分別存入寄存器分別存入寄存器A A和和B B中，然后比中，然后比較兩數(shù)大小，使大數(shù)存入寄存器較兩數(shù)大小，使大數(shù)存入寄存器A A，設(shè)計控制器的，設(shè)計控制器的ASMASM圖。圖。 邏輯劃分邏輯劃分控制器、執(zhí)行部件（

12、寄存器、比較器）：控制器、執(zhí)行部件（寄存器、比較器）：2 2個四位寄存器：個四位寄存器：A A（X X），），B(YB(Y）；）；四位比較器：四位比較器：C C1 1（ABAB）；）；一個控制器。一個控制器。比較器 RA RB 數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)通路控控制制器器比較器 RA RBLBLACAPAB邏輯流程圖：邏輯流程圖：系統(tǒng)的工作過程系統(tǒng)的工作過程ABNY X送B （B) 送（A) Y送B比較ABNY X送B （B) 送（A) Y送B比較ABNY X送B （B) 送（A) Y送B比較ABNY X送B （B) 送（A) Y送B比較ABNY X送B （B) 送（A) Y送B比較S S0 0：打入命令打入

13、命令 LBLB（脈沖），（脈沖），X X B B ；S S1 1：打入命令打入命令 LALA（脈沖），（脈沖），（B B） （A) A) ；S S2 2：打入命令打入命令 LBLB（脈沖），（脈沖），Y Y B B ；S S3 3：比較命令比較命令 CAPCAP（電位），（電位），（A A） （B B） 比較器輸出比較器輸出1 1； 控制器的控制器的ASMASM圖圖 S0C0 S3 S1 S21LBLALBCAP S0C0 S3 S1 S21LBLALBCAP S0C0 S3 S1 S21LBLALBCAP S0C0 S3 S1 S21LBLALBCAP S0C0 S3 S1 S21LBLAL

14、BCAP控控制制器器比較器RARBLBLACAPAB控控制制器器控控制制器器比較器比較器RARBRARBLBLBLALACAPCAPABAB6.4 6.4 小型控制器的設(shè)計小型控制器的設(shè)計由硬件實現(xiàn)控制器：由硬件實現(xiàn)控制器：控制命令譯碼器控制命令譯碼器狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器寄存器打入脈沖寄存器打入脈沖計數(shù)器型：計數(shù)器型：MUXMUX型：型：定序型定序型（一對一）（一對一）：狀態(tài)寄存器少，譯碼電路狀態(tài)寄存器少，譯碼電路相同（較復(fù)雜）相同（較復(fù)雜）狀態(tài)寄存器多，譯碼電路簡單狀態(tài)寄存器多，譯碼電路簡單小小型型控控制制器器無無需需化化簡簡1. 1. 計數(shù)型控制器計數(shù)型控制器適應(yīng)于狀態(tài)數(shù)較多，適應(yīng)于狀態(tài)數(shù)

15、較多，N N 個觸發(fā)器可構(gòu)成個觸發(fā)器可構(gòu)成 2 2n n 個控制狀態(tài)。個控制狀態(tài)。設(shè)計方法同時序電路。設(shè)計方法同時序電路。1)1)給給ASMASM圖的狀態(tài)框編碼：圖的狀態(tài)框編碼：2)2)由由ASM ASM 圖得控制信號表達(dá)式（譯碼）：圖得控制信號表達(dá)式（譯碼）：3) 控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表：控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表：4) 觸發(fā)器驅(qū)動方程：觸發(fā)器驅(qū)動方程：5) 電路實現(xiàn)：電路實現(xiàn)：nnQQC1211)1)給給ASMASM圖的狀態(tài)框編碼圖的狀態(tài)框編碼(Q(Q2 2Q Q1 1) )：2)2)由由ASM ASM 圖得控制信號表達(dá)式：圖得控制信號表達(dá)式：3) 3) 控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表：控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表： 0 0 1 0 X 0 0 1 1 X Q2n Q1nQ2n1 Q1n1轉(zhuǎn)移條件XQQCnn122 0 0 1 0 X 0 0 1 1 X 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 X 0 0 1 1 X 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0CPSNSNS：次態(tài)：次態(tài)PS：現(xiàn)態(tài)：現(xiàn)態(tài)C：轉(zhuǎn)移條件：轉(zhuǎn)移條件總結(jié)公式：總結(jié)公式：nnnnnQQXXQQDQ1212212)(1;212KQJn 0 0 1 0 X 0 0 1 1 X Q2n