第十章數(shù)字系統(tǒng)設計

1、第十章第十章數(shù)字系統(tǒng)設計數(shù)字系統(tǒng)設計 10.1 數(shù)字系統(tǒng)設計概述數(shù)字系統(tǒng)設計概述10.2 數(shù)字系統(tǒng)設計實例數(shù)字系統(tǒng)設計實例一、本章內(nèi)容一、本章內(nèi)容1.了解數(shù)字系統(tǒng)的基本組成。了解數(shù)字系統(tǒng)的基本組成。2. 理解數(shù)字系統(tǒng)設計的基本流程。理解數(shù)字系統(tǒng)設計的基本流程。3. 學會應用學會應用Multisim 10 對數(shù)字系統(tǒng)進行仿真。對數(shù)字系統(tǒng)進行仿真。4. 學會應用學會應用VHDL對數(shù)字系統(tǒng)進行描述。對數(shù)字系統(tǒng)進行描述。二、本章教學目的與要求二、本章教學目的與要求 三、本章知識結(jié)構(gòu)三、本章知識結(jié)構(gòu)10.1 數(shù)字系統(tǒng)設計概述數(shù)字系統(tǒng)設計概述10.1.1 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一般地，將門電

2、路、觸發(fā)器稱為邏輯器件；將完成一般地，將門電路、觸發(fā)器稱為邏輯器件；將完成某種特定功能的邏輯電路稱為邏輯功能部件，如前某種特定功能的邏輯電路稱為邏輯功能部件，如前面所介紹的數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器、計數(shù)器等；面所介紹的數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器、計數(shù)器等；將由將由邏輯功能部件組成的完成較復雜邏輯功能的數(shù)字電邏輯功能部件組成的完成較復雜邏輯功能的數(shù)字電路稱為數(shù)字系統(tǒng)。路稱為數(shù)字系統(tǒng)。雖然數(shù)字系統(tǒng)的大小不一，功能各異，結(jié)構(gòu)也千差雖然數(shù)字系統(tǒng)的大小不一，功能各異，結(jié)構(gòu)也千差萬別，但從完成系統(tǒng)功能的角度看，它們都是由許萬別，但從完成系統(tǒng)功能的角度看，它們都是由許多能夠進行各種邏輯操作的功能部件組成的，各功多能夠進行

3、各種邏輯操作的功能部件組成的，各功能部件之間有機配合、相互協(xié)調(diào)工作，共同實現(xiàn)數(shù)能部件之間有機配合、相互協(xié)調(diào)工作，共同實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的各項功能。字系統(tǒng)的各項功能。 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)大致可以分為數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)大致可以分為4個部分：控個部分：控制電路、數(shù)據(jù)處理電路、輸入制電路、數(shù)據(jù)處理電路、輸入/輸出電路和時基電輸出電路和時基電路，其組成框圖如圖路，其組成框圖如圖10.1所示。所示。圖圖10.1 數(shù)字系統(tǒng)組成框圖數(shù)字系統(tǒng)組成框圖 數(shù)字系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)處理電路和控制電路。數(shù)字系統(tǒng)的核心是數(shù)據(jù)處理電路和控制電路。 數(shù)字系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲、傳送和處理均在數(shù)據(jù)處理電路進數(shù)字系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲、傳送和處理均在

4、數(shù)據(jù)處理電路進行，它從控制子系統(tǒng)接電路接收控制信號，并把數(shù)據(jù)處理行，它從控制子系統(tǒng)接電路接收控制信號，并把數(shù)據(jù)處理過程中產(chǎn)生的狀態(tài)信號反饋給控制電路。由于數(shù)據(jù)處理電過程中產(chǎn)生的狀態(tài)信號反饋給控制電路。由于數(shù)據(jù)處理電路主要完成數(shù)據(jù)處理功能且受控制電路控制，因此常常把路主要完成數(shù)據(jù)處理功能且受控制電路控制，因此常常把它稱為它稱為數(shù)據(jù)處理器或受控電路數(shù)據(jù)處理器或受控電路。 控制電路是控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分協(xié)調(diào)工作的電路，它根控制電路是控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分協(xié)調(diào)工作的電路，它根據(jù)外部輸入信號和數(shù)據(jù)處理電路反饋的狀態(tài)信號，產(chǎn)生對據(jù)外部輸入信號和數(shù)據(jù)處理電路反饋的狀態(tài)信號，產(chǎn)生對數(shù)據(jù)處理電路的控制信號和系統(tǒng)對外的

5、輸出信號，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理電路的控制信號和系統(tǒng)對外的輸出信號，使系統(tǒng)各部分按照正確的時序進行工作。由于控制電路控制著數(shù)各部分按照正確的時序進行工作。由于控制電路控制著數(shù)字系統(tǒng)的整個操作進程，因此又被稱為控制器。字系統(tǒng)的整個操作進程，因此又被稱為控制器。 輸入輸入/輸出電路主要用于系統(tǒng)和外界進行信息交換。數(shù)字系輸出電路主要用于系統(tǒng)和外界進行信息交換。數(shù)字系統(tǒng)通常是一個時序電路，時基電路產(chǎn)生各種時鐘信號，保統(tǒng)通常是一個時序電路，時基電路產(chǎn)生各種時鐘信號，保證整個系統(tǒng)在時鐘作用下協(xié)調(diào)工作。證整個系統(tǒng)在時鐘作用下協(xié)調(diào)工作。10.1.2 數(shù)字系統(tǒng)設計的基本流程數(shù)字系統(tǒng)設計的基本流程1.數(shù)字系統(tǒng)的傳統(tǒng)設計方

6、法數(shù)字系統(tǒng)的傳統(tǒng)設計方法 數(shù)字系統(tǒng)的傳統(tǒng)設計方法是手工設計法。手工數(shù)字系統(tǒng)的傳統(tǒng)設計方法是手工設計法。手工設計法經(jīng)常采用設計法經(jīng)常采用自底向上自底向上的設計方法，在設計的設計方法，在設計系統(tǒng)硬件時，從系統(tǒng)的最底層開始，首先用真系統(tǒng)硬件時，從系統(tǒng)的最底層開始，首先用真值表、卡諾圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來描值表、卡諾圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來描述數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能，然后選擇具體的邏輯述數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能，然后選擇具體的邏輯功能部件，用這些邏輯功能部件組成功能模塊，功能部件，用這些邏輯功能部件組成功能模塊，最后把功能模塊連接起來完成系統(tǒng)硬件設計。最后把功能模塊連接起來完成系統(tǒng)硬件設計。采用這種設

7、計方法進行底層設計時，由于缺乏采用這種設計方法進行底層設計時，由于缺乏對整個數(shù)字系統(tǒng)總體性能的把握，在整個系統(tǒng)對整個數(shù)字系統(tǒng)總體性能的把握，在整個系統(tǒng)設計完成后，如果發(fā)現(xiàn)部分性能需要改進，修設計完成后，如果發(fā)現(xiàn)部分性能需要改進，修改起來比較困難，因而設計周期長。改起來比較困難，因而設計周期長。2. 數(shù)字系統(tǒng)的現(xiàn)代設計方法數(shù)字系統(tǒng)的現(xiàn)代設計方法 由于數(shù)字電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)設計的由于數(shù)字電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)設計的復雜程度也相應提高，利用傳統(tǒng)的手工設計法已復雜程度也相應提高，利用傳統(tǒng)的手工設計法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計的要求。目前有許經(jīng)不能滿足現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計的要求。目前有許多

8、種設計方法適合現(xiàn)代大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設計，經(jīng)多種設計方法適合現(xiàn)代大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設計，經(jīng)常采用的是常采用的是自頂向下自頂向下的設計方法。的設計方法。 自頂向下的設計方法，概括地講就是從整體到局自頂向下的設計方法，概括地講就是從整體到局部、最后到細節(jié)的設計方法，即設計者先從數(shù)字部、最后到細節(jié)的設計方法，即設計者先從數(shù)字系統(tǒng)的整體功能要求出發(fā)，進行最頂層的系統(tǒng)設系統(tǒng)的整體功能要求出發(fā)，進行最頂層的系統(tǒng)設計，然后將整個系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，再將每個計，然后將整個系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，再將每個子系統(tǒng)分為若干功能模塊，功能模塊還可繼續(xù)向子系統(tǒng)分為若干功能模塊，功能模塊還可繼續(xù)向下劃分成子功能模塊，直至分成許多可以

9、由最基下劃分成子功能模塊，直至分成許多可以由最基本的邏輯功能部件實現(xiàn)小功能模塊。這就像建造本的邏輯功能部件實現(xiàn)小功能模塊。這就像建造一座大樓，先要進行整體設計，再繪制詳細的結(jié)一座大樓，先要進行整體設計，再繪制詳細的結(jié)構(gòu)圖，最后用建筑材料建造起來。構(gòu)圖，最后用建筑材料建造起來。3. 數(shù)字系統(tǒng)設計的基本流程數(shù)字系統(tǒng)設計的基本流程圖圖10.2 數(shù)字系統(tǒng)設計的基本流程圖數(shù)字系統(tǒng)設計的基本流程圖在開始對一個數(shù)字系統(tǒng)進行設計在開始對一個數(shù)字系統(tǒng)進行設計之前，首先應對該數(shù)字系統(tǒng)進行之前，首先應對該數(shù)字系統(tǒng)進行充分的調(diào)研，深入了解該數(shù)字系充分的調(diào)研，深入了解該數(shù)字系統(tǒng)的功能、性能指標、工作環(huán)境統(tǒng)的功能、性能指

10、標、工作環(huán)境等，明確系統(tǒng)的輸入信號有哪些，等，明確系統(tǒng)的輸入信號有哪些，輸出信號有哪些，對輸入信號和輸出信號有哪些，對輸入信號和輸出信號有什么特殊的要求等等，輸出信號有什么特殊的要求等等，只有在明確設計要求的基礎上，只有在明確設計要求的基礎上，才能進行系統(tǒng)設計。才能進行系統(tǒng)設計。對于一個具體數(shù)字系統(tǒng)的設計可能對于一個具體數(shù)字系統(tǒng)的設計可能有多種不同的實現(xiàn)方案，方案的優(yōu)有多種不同的實現(xiàn)方案，方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個數(shù)字系統(tǒng)的質(zhì)量，劣直接關(guān)系到整個數(shù)字系統(tǒng)的質(zhì)量，因此，要從系統(tǒng)的實現(xiàn)原理、性能、因此，要從系統(tǒng)的實現(xiàn)原理、性能、成本、可靠性等方面對不同方案進成本、可靠性等方面對不同方案進行論證，最終

11、確定系統(tǒng)的總體設計行論證，最終確定系統(tǒng)的總體設計方案。方案。系統(tǒng)總體設計方案確定以后，可系統(tǒng)總體設計方案確定以后，可以根據(jù)所要設計的數(shù)字系統(tǒng)的特以根據(jù)所要設計的數(shù)字系統(tǒng)的特點，將整個系統(tǒng)劃分為若干個子點，將整個系統(tǒng)劃分為若干個子系統(tǒng)，一般可以分為控制子系統(tǒng)系統(tǒng)，一般可以分為控制子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)還可以劃分為不同的功能模塊，還可以劃分為不同的功能模塊，以實現(xiàn)不同的邏輯功能。以實現(xiàn)不同的邏輯功能。把功能模塊所描述的邏輯功能進行邏把功能模塊所描述的邏輯功能進行邏輯設計，詳細地給出實現(xiàn)該邏輯功能輯設計，詳細地給出實現(xiàn)該邏輯功能的硬件描述和軟件描述。例如，在設

12、的硬件描述和軟件描述。例如，在設計譯碼顯示功能模塊時，要對采用何計譯碼顯示功能模塊時，要對采用何種顯示器件、采用何種顯示方法等進種顯示器件、采用何種顯示方法等進行詳細說明。行詳細說明。物理設計也稱為電路設計，是用具物理設計也稱為電路設計，是用具體的電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)功能模塊的邏體的電路結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)功能模塊的邏輯功能。輯功能。10.2 數(shù)字系統(tǒng)設計實例數(shù)字系統(tǒng)設計實例10.2.1 計數(shù)報警器設計計數(shù)報警器設計1. 設計任務設計任務 設計一個計數(shù)報警器，對輸入的脈沖信號設計一個計數(shù)報警器，對輸入的脈沖信號進行計數(shù)，當計數(shù)達到最大值時，報警器進行計數(shù)，當計數(shù)達到最大值時，報警器給出給出10秒鐘的聲光報警。

13、該計數(shù)報警器的秒鐘的聲光報警。該計數(shù)報警器的計數(shù)脈沖用按鍵產(chǎn)生，最大計數(shù)值為計數(shù)脈沖用按鍵產(chǎn)生，最大計數(shù)值為60，聲報警用蜂鳴器產(chǎn)生，光報警用紅色聲報警用蜂鳴器產(chǎn)生，光報警用紅色LED產(chǎn)生，并要設計一個復位鍵，當報警信號產(chǎn)生，并要設計一個復位鍵，當報警信號產(chǎn)生后，可以將電路復位，以重新開始計產(chǎn)生后，可以將電路復位，以重新開始計數(shù)。數(shù)。2. 任務分析任務分析 根據(jù)設計任務可知，計數(shù)報警器的計數(shù)脈沖用按根據(jù)設計任務可知，計數(shù)報警器的計數(shù)脈沖用按鍵產(chǎn)生，需要設計一個鍵產(chǎn)生，需要設計一個按鍵脈沖電路按鍵脈沖電路；計數(shù)報警；計數(shù)報警器能對輸入脈沖計數(shù)，最大計數(shù)值為器能對輸入脈沖計數(shù)，最大計數(shù)值為60，因

14、此需，因此需要設計一個要設計一個60進制的加法計數(shù)器進制的加法計數(shù)器；當計數(shù)達到最；當計數(shù)達到最大值時進行大值時進行10秒鐘的聲光報警，需要設計一個定秒鐘的聲光報警，需要設計一個定時電路，時電路，用來產(chǎn)生用來產(chǎn)生10秒鐘的定時，并驅(qū)動蜂鳴器秒鐘的定時，并驅(qū)動蜂鳴器和和LED，進行聲光報警，進行聲光報警；為了能夠?qū)τ嫈?shù)值進行；為了能夠?qū)τ嫈?shù)值進行顯示，需要設計一個顯示，需要設計一個顯示譯碼電路顯示譯碼電路。復位鍵可以。復位鍵可以控制整個電路的工作情況，用按鍵產(chǎn)生。由以上控制整個電路的工作情況，用按鍵產(chǎn)生。由以上分析可知，分析可知，整個計數(shù)報警器電路可以由控制模塊、整個計數(shù)報警器電路可以由控制模塊

15、、脈沖產(chǎn)生模塊、計數(shù)模塊、譯碼顯示模塊、定時脈沖產(chǎn)生模塊、計數(shù)模塊、譯碼顯示模塊、定時模塊和報警模塊等組成。模塊和報警模塊等組成。3. 模塊電路設計模塊電路設計（1）脈沖產(chǎn)生電路可以用按鍵產(chǎn)生，當按鍵按下或）脈沖產(chǎn)生電路可以用按鍵產(chǎn)生，當按鍵按下或松開時，會產(chǎn)生抖動，使輸出信號不穩(wěn)定，因此松開時，會產(chǎn)生抖動，使輸出信號不穩(wěn)定，因此需要設計一個穩(wěn)定電路，使按鍵按下后可以產(chǎn)生需要設計一個穩(wěn)定電路，使按鍵按下后可以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的脈沖信號。設計電路如圖一個穩(wěn)定的脈沖信號。設計電路如圖10.3所示。所示。圖中在按鍵后面增加了一個由與非門構(gòu)成基本圖中在按鍵后面增加了一個由與非門構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，可以起到

16、消抖的效果，當按鍵觸發(fā)器，可以起到消抖的效果，當按鍵J1按下去按下去后，在輸出后，在輸出Q端產(chǎn)生一個正脈沖。端產(chǎn)生一個正脈沖。 （2）計數(shù)模塊可以采用）計數(shù)模塊可以采用多種方案實現(xiàn)，這里采多種方案實現(xiàn)，這里采用兩片用兩片74LS160來實現(xiàn)來實現(xiàn)60進制的計數(shù)器，設計進制的計數(shù)器，設計的電路如圖的電路如圖10.4所示。所示。圖中上方的圖中上方的74LS160為為個位，下方的個位，下方的74LS160為十位，當計數(shù)達到為十位，當計數(shù)達到60時，由與非門時，由與非門74LS00譯出進位信號，以便其譯出進位信號，以便其它電路使用。它電路使用。 （3）譯碼顯示電路可以采用七段數(shù)碼管顯示加譯碼器實現(xiàn)，由

17、于七段數(shù)碼管由共陽極和共陰極兩種，所以對應的顯示譯碼器也應分為兩種，一種驅(qū)動共陽極的數(shù)碼管，一種驅(qū)動共陰極的數(shù)碼管。本設計采用共陽極數(shù)碼管，因此顯示譯碼器采用74LS47。74LS47的輸入端接對應計數(shù)器74LS160的輸出端，74LS47的輸出端接數(shù)碼管的輸入端，并將74LS47的控制端接高電平，數(shù)碼管的共陽極接電源，即可以實現(xiàn)對計數(shù)值的顯示。（4）定時電路采用）定時電路采用555構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成，只要電路參數(shù)設置合適，就會產(chǎn)生只要電路參數(shù)設置合適，就會產(chǎn)生10秒鐘的定時。秒鐘的定時。并利用定時輸出驅(qū)動數(shù)碼管和蜂鳴器，就可以實并利用定時輸出驅(qū)動數(shù)碼管和蜂鳴器，就

18、可以實現(xiàn)現(xiàn)10秒鐘的報警，其電路連接如圖秒鐘的報警，其電路連接如圖10.5所示。所示。圖圖10.5 定時報警電路設計定時報警電路設計（5）控制電路設計是整個電路設計的核心，它控制）控制電路設計是整個電路設計的核心，它控制著整個電路的工作狀態(tài)。當電路通電開始工作之著整個電路的工作狀態(tài)。當電路通電開始工作之前，需要按下控制鍵，即產(chǎn)生一個控制信號，使前，需要按下控制鍵，即產(chǎn)生一個控制信號，使電路開始工作，這時計數(shù)器開始對輸入的脈沖進電路開始工作，這時計數(shù)器開始對輸入的脈沖進行計數(shù)，當計數(shù)達到行計數(shù)，當計數(shù)達到60時，計數(shù)器產(chǎn)生進位輸出時，計數(shù)器產(chǎn)生進位輸出信號，并觸發(fā)定時電路，使電路產(chǎn)生信號，并觸發(fā)

19、定時電路，使電路產(chǎn)生10秒鐘的聲秒鐘的聲光報警信號。在報警信號起作用的光報警信號。在報警信號起作用的10秒鐘內(nèi)，計秒鐘內(nèi)，計數(shù)脈沖和控制信號將不起作用，即電路不能再對數(shù)脈沖和控制信號將不起作用，即電路不能再對輸入脈沖進行計數(shù)，控制信號也不能使電路復位。輸入脈沖進行計數(shù)，控制信號也不能使電路復位。當報警信號消失后，按下控制信號，將電路復位，當報警信號消失后，按下控制信號，將電路復位，可以重新對輸出脈沖計數(shù)?？梢灾匦聦敵雒}沖計數(shù)。 為了實現(xiàn)上述控制功能，使用了帶有預置數(shù)功能為了實現(xiàn)上述控制功能，使用了帶有預置數(shù)功能的的JK觸發(fā)器觸發(fā)器74LS112，剛接通電源時，剛接通電源時，74LS112的的

20、輸出為低電平，使計數(shù)電路不能計數(shù)，當電路復輸出為低電平，使計數(shù)電路不能計數(shù)，當電路復位后，使位后，使74LS112輸出為高電平，電路開始計數(shù)，輸出為高電平，電路開始計數(shù)，因此將控制按鍵的輸出接在因此將控制按鍵的輸出接在JK觸發(fā)器的預置數(shù)輸觸發(fā)器的預置數(shù)輸入端，將入端，將JK觸發(fā)器輸出端接在計數(shù)器的控制端觸發(fā)器輸出端接在計數(shù)器的控制端ENP上。同時將上。同時將JK觸發(fā)器的觸發(fā)器的J、K端連接在一起，端連接在一起，并接高電平，使觸發(fā)器的輸出處于翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，并并接高電平，使觸發(fā)器的輸出處于翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，并將將555定時器的報警輸出經(jīng)過一個反相器后接入定時器的報警輸出經(jīng)過一個反相器后接入74LS112的時鐘

21、輸入端，當報警信號消失后，時的時鐘輸入端，當報警信號消失后，時鐘信號有效，使鐘信號有效，使JK觸發(fā)器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即觸發(fā)觸發(fā)器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即觸發(fā)器輸出低電平，使計數(shù)電路不能計數(shù)。為了實現(xiàn)器輸出低電平，使計數(shù)電路不能計數(shù)。為了實現(xiàn)報警信號產(chǎn)生的報警信號產(chǎn)生的10秒內(nèi)計數(shù)器不能計數(shù)，可以將秒內(nèi)計數(shù)器不能計數(shù)，可以將555定時器的報警輸出經(jīng)過一個反相器接入計數(shù)器定時器的報警輸出經(jīng)過一個反相器接入計數(shù)器的控制端，使計數(shù)器清零，不能計數(shù)。的控制端，使計數(shù)器清零，不能計數(shù)。本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)字系統(tǒng)設計的基本概念和數(shù)字本章主要介紹了數(shù)字系統(tǒng)設計的基本概念和數(shù)字系統(tǒng)設計的基本流程，并通過計數(shù)報警器設計、系統(tǒng)設計的基本流程，并通過計數(shù)報警器設計、交通燈控制器設計和函數(shù)發(fā)生器設計介紹了數(shù)字交通燈控制器設計和函數(shù)發(fā)生器設計介紹了數(shù)字系統(tǒng)的設計過程。系統(tǒng)的設計過程。 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要包括控制電路、數(shù)據(jù)處數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主要包括控制電路、數(shù)據(jù)處理電路、輸入理電路、輸入/輸出電路和時基電路?？刂齐娐泛洼敵鲭娐泛蜁r基電路?？刂齐娐泛蛿?shù)據(jù)處理電路是數(shù)字系統(tǒng)的核心，控制電路的任數(shù)據(jù)處理電路是數(shù)字系統(tǒng)的核心，控制電路的任務是協(xié)調(diào)系