數(shù)字邏輯與系統(tǒng)設(shè)計 課件 第8章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計

第8章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計8.1概述8.2處理流程的電路結(jié)構(gòu)8.3數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)8.4狀態(tài)機8.5模塊互聯(lián)

8.1概述

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的核心是自頂向下的設(shè)計思想和模塊化的設(shè)計方法，其實質(zhì)是三個問題：

(1)模塊劃分，即系統(tǒng)應(yīng)該被劃分為幾個模塊。

(2)模塊互聯(lián)，即各個模塊間的連接接口如何規(guī)劃。

(3)模塊通信，即各個模塊之間的數(shù)據(jù)如何交互。

數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計方法有試湊法和自上而下法。

(1)試湊法。

試湊法把系統(tǒng)的總體方案分成若干個相對獨立的功能部件，然后用組合邏輯電路和時序邏輯電路的設(shè)計方法分別設(shè)計并構(gòu)成這些功能部件，最后把這些已經(jīng)確定的部件按要求拼接組合起來，便構(gòu)成完整的數(shù)字系統(tǒng)。

(2)自上而下法。

自上而下(或自頂向下)的設(shè)計方法適用于較大規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)。把較大規(guī)模的數(shù)字系統(tǒng)從邏輯上劃分為控制器和受控制器電路兩大部分，采用邏輯流程圖或其他工具來描述控制器的控制過程，并根據(jù)控制器及受控制器的邏輯功能，選擇適當?shù)墓δ芷骷韺崿F(xiàn)?？刂破骰蚴芸刂破鞅旧碛址謩e可以看成一個子系統(tǒng)，邏輯劃分的工作還可以在控制器或受控制器內(nèi)部多重進行。

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)要從小系統(tǒng)入手，如同“滾雪球”一樣。在前面章節(jié)的基礎(chǔ)電路上組合改進實現(xiàn)小系統(tǒng)設(shè)計，再在小系統(tǒng)上不斷增加和完善功能，最后實現(xiàn)一個大系統(tǒng)，最終達到能夠設(shè)計大系統(tǒng)的目標。

例如，某簡單的小型數(shù)字系統(tǒng)的功能要求如下：有4×4矩陣數(shù)字鍵盤和一行5個數(shù)碼管，每個按鍵上標有一位十六進制數(shù)符，十六個按鍵標注不同值，每按一次鍵，相應(yīng)的十六進制數(shù)符就顯示在最右邊的數(shù)碼管上，以前顯示的數(shù)符都向左移一個數(shù)碼管。

本章的系統(tǒng)設(shè)計采用進階提升的方式來描述數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本理念、思維、方法和手段，使初學者實現(xiàn)設(shè)計能力的提升。

首先描述處理流程如何用電路實現(xiàn)，可以使初學者的設(shè)計角度從門電路或基本功能電路上轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，完成設(shè)計思維的提升。無論數(shù)字系統(tǒng)是否復(fù)雜，其功能是可以用操作流程來描述的，特別是有計算機編程經(jīng)驗的人來學更是容易接受。

其次介紹常用的處理電路結(jié)構(gòu)，可以使初學者學會功能流程的工程設(shè)計思路，從而理解速度與資源的制衡關(guān)系，領(lǐng)會“因需可定”的工程設(shè)計理念。

然后將時序電路設(shè)計升遷到功能模塊，將有限狀態(tài)機與處理流程相融合，采用擴展有限狀態(tài)機來進行規(guī)范說明和描述，使初學者的設(shè)計著眼點從時序升格至流程，從而為進一步學習復(fù)雜設(shè)計理論和實現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

最后介紹系統(tǒng)的模塊劃分和互聯(lián)，利用數(shù)據(jù)處理功能來分類和設(shè)計模塊，利用“服務(wù)”來描述模塊之間的交互，采用易讀易懂且關(guān)系明晰的原語來設(shè)計模塊之間的通信，從而實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計能力的提升。

8.2處理流程的電路結(jié)構(gòu)

處理流程通常有算術(shù)邏輯運算、數(shù)據(jù)保存、流程控制這三個基本要素構(gòu)成。8.2.1算術(shù)邏輯運算

1.算術(shù)運算基本算術(shù)運算主要包括加、減、乘、除。這些基本算術(shù)運算通過組合實現(xiàn)各種數(shù)學表達式的計算。例如，y=(x1+x2)x3-(x4+x5)/x6

可以采用如圖8-1所示的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

圖8-1數(shù)字表達式的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

任何一種處理都可以看成是一個部件，它有輸入和輸出，其功能可以采用函數(shù)來表示。例如，輸入為x，輸出為y，該部件功能函數(shù)為y=f(x)，f

代表功能。

基本算術(shù)運算所對應(yīng)的部件分別稱為加法器、減法器、乘法器和除法器。比較器是一種特殊的減法器，不用輸出差，只需要輸出是否大于、小于和等于三種邏輯量。

2.邏輯運算

常用邏輯運算包括與、或、非和異或四種。邏輯運算主要用于數(shù)位處理或檢測、條件判定等處理。

8.2.2數(shù)據(jù)保存

在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，數(shù)據(jù)保存是一個核心環(huán)節(jié)，它確保了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。通常采用寄存器和RAM來實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存。

常規(guī)寄存器有6個信號：時鐘CLK、使能E、數(shù)據(jù)D、清零R、置位S

和輸出Q。通常配置為沿觸發(fā)，異步清零和置位。其適用于存儲少量的，但是需要快速訪問的數(shù)據(jù)。

8.2.3流程控制

流程控制是處理的“指揮中心”，前文從功能上描述了它的功能描述結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)部件與結(jié)構(gòu)，下文將從具體電路實現(xiàn)及設(shè)計原理上進行描述。

流程控制結(jié)構(gòu)主要有順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。順序結(jié)構(gòu)就是按順序逐一執(zhí)行操作。

1.分支結(jié)構(gòu)

分支結(jié)構(gòu)是指根據(jù)不同條件執(zhí)行不同的操作。

例如：

分支結(jié)構(gòu)可以分為兩個功能部分：條件判斷和選擇執(zhí)行。前者來決定哪個條件成立，生成相應(yīng)的條件號；后者根據(jù)前者生成的條件號來決定哪個結(jié)果被輸出。

1)條件判斷

條件判斷可以描述為：當i<a

時，條件1成立，其他條件不成立；當a≤i<b

時，條件2成立，其他條件不成立；當b≤i<c時，條件3成立，其他條件不成立；當i≥c時，條件4成立，其他條件不成立。

在條件判斷中，i分別與3個數(shù)相比較，即i與a、i與b、i與c。比較運算實質(zhì)是一種數(shù)學運算，差為0表明相等；差是正數(shù)表明大于；差是負數(shù)表明小于。進行比較運算的部件稱為比較器。

將i與這三個數(shù)比較的結(jié)果進行組合，輸出相應(yīng)的條件號。

條件判斷的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖8-2(a)所示。

2)選擇執(zhí)行

選擇執(zhí)行可以描述為：當條件1成立時，Y=f1(X)；當條件2成立時，Y=f2(X)；當條件3成立時，Y=f3(X)；當條件4成立時，Y=f4(X)。采用如圖8-2(b)所示的描述方式，每個函數(shù)都對輸入

X

進行運算，根據(jù)條件號選擇其所對應(yīng)的函數(shù)計算結(jié)果作為輸出。

圖8-2分支結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)

2.循環(huán)結(jié)構(gòu)

有時處理操作需要在一定條件下反復(fù)執(zhí)行某些操作，這種操作稱為循環(huán)。反復(fù)執(zhí)行的操作稱為循環(huán)體，執(zhí)行所需要的條件稱為循環(huán)條件。循環(huán)條件是循環(huán)體內(nèi)存儲量或外部輸入量的值滿足某種關(guān)系。

循環(huán)結(jié)構(gòu)有兩種形式，即當型和直到型，流程圖結(jié)構(gòu)如圖8-3(a)所示。當型循環(huán)根據(jù)條件判定結(jié)果決定是否執(zhí)行循環(huán)體；而直到型循環(huán)先執(zhí)行循環(huán)體，根據(jù)條件判定結(jié)果決定是否再執(zhí)行循環(huán)體。

循環(huán)結(jié)構(gòu)的處理電路結(jié)構(gòu)如圖8-3(b)所示，其中輸入信號EN為使能循環(huán)信號，輸出信號OV為循環(huán)結(jié)束指示信號。EN信號無效時執(zhí)行初始化循環(huán)體存儲量，EN信號有效時可以執(zhí)行循環(huán)體操作，通常是通過條件判定來決定是否執(zhí)行循環(huán)體操作。當條件判定不滿足時，循環(huán)體操作不再執(zhí)行，電路處于保持狀態(tài)。若條件判定滿足，則OV為0，否則為1。

圖8-3循環(huán)結(jié)構(gòu)處理流程與結(jié)構(gòu)

例如，階乘運算y=N!的計算流程如圖8-4所示。圖8-4階乘的循環(huán)計算流程

仿真波形如圖8-5所示，其中數(shù)值為十進制數(shù)。x圖8-5階乘運算的仿真波形

8.3數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

8.3.1并行結(jié)構(gòu)并行結(jié)構(gòu)的特點是所有數(shù)據(jù)量均以寄存器的存儲方式呈現(xiàn)，所有運算和控制都由各自單獨的電路來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)可以同時進行讀寫，數(shù)據(jù)運算和控制采用專用獨立電路，故處理速度快，但資源占用量較大。

例如，數(shù)字信號處理中最為常用的卷積運算是對連續(xù)輸入數(shù)據(jù)的延時加權(quán)求和，其運算公式為

這里，xn

是當前輸入，xn-m

是從當前前移m

個時刻時的輸入值，hm是給定的權(quán)值。

由于要保存

M-1個以往時刻的輸入值且隨時刻后移不斷順序更新，故采用移位寄存器來保存輸入值。當前輸入和所有寄存器的輸出分別乘以相應(yīng)權(quán)值后求和即可實現(xiàn)該數(shù)據(jù)運算，電路結(jié)構(gòu)如圖8-6所示。為了保證同步操作，電路對輸入

X

進行鎖存后再參與計算。計算輸出Y

采用同步輸出方式。

圖8-6卷積運算的電路結(jié)構(gòu)

仿真測試時采用周期為10ns的時鐘，輸入數(shù)據(jù)按先后順序依次為-63、116、-124、85、-13、63、0，時序仿真波形如圖8-7所示。圖8-7卷積運算電路的10ns時鐘時序仿真波形

為了測試最小時鐘周期，將時鐘周期減小并仿真測試，可以找到一個出現(xiàn)錯誤的時鐘，這個時鐘可以近似為最小值。因為仿真不可能是全部數(shù)據(jù)，所以仿真得到的最小值不一定是真正最小值，真正最小值應(yīng)不小于該值。通過內(nèi)部門電路的分析才能得到最大處理時長，也就決定了最小周期。采用周期為4.6ns的時鐘仿真時結(jié)果出錯，如圖8-8所示。

圖8-8卷積運算電路的4.6ns時鐘時序仿真波形

8.3.2流水結(jié)構(gòu)

如果數(shù)據(jù)更新周期小于處理時長，那么如何設(shè)計電路才能盡可能滿足需要?設(shè)計電路需要將運算分成兩步，每步的運算時長小于數(shù)據(jù)更新周期。具體做法是在中間運算中加上一級寄存器來鎖存中間結(jié)果，構(gòu)成兩級流水結(jié)構(gòu)，從而使兩級鎖存之間的運算時長減小，如圖8-9所示。

圖8-9卷積運算的流水結(jié)構(gòu)電路

采用周期為4ns的時鐘進行仿真，其波形圖如810所示。圖8-10卷積運算的流水結(jié)構(gòu)的電路時序仿真波形

為了進一步提高運算速度，繼續(xù)增加中間鎖存，構(gòu)成四級流水結(jié)構(gòu)，如圖8-11所示。圖8-11卷積運算的四級流水結(jié)構(gòu)電路

四級流水結(jié)構(gòu)可使時鐘周期降至2.2ns，其時序仿真如圖8-12所示。圖8-12卷積運算的四級流水結(jié)構(gòu)電路時序仿真波形

通過寄存器鎖存構(gòu)成多級運算結(jié)構(gòu)來提高處理速度，如圖8-13所示，這種電路結(jié)構(gòu)稱為流水線結(jié)構(gòu)。流水線分為4級，每級處理時長分別為τ1、τ2、τ3、τ4。更新周期要大于流水線各級處理時長的最大值，即max(τ1，τ2，τ3，τ4)。流水線中每級的處理時長都很短，從而整體處理速度加快。

圖8-13多級流水線示意結(jié)構(gòu)

8.3.3串行結(jié)構(gòu)

采用FPGA來實現(xiàn)并行結(jié)構(gòu)時，電路占用了大量的寄存器和邏輯單元。在處理速度需求較低時，并行結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢沒有發(fā)揮出來，但占用大量邏輯資源的缺點使電路成本較高。為了使邏輯資源占用與處理速度相適配，盡可能使用存儲器并復(fù)用運算邏輯單元。

串行結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)保存在存儲器中。數(shù)據(jù)處理時從存儲器中讀取數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果保存至存儲器。結(jié)合存儲器的特點，采用不同方式進行讀寫，最為常用的方式是同步讀寫。

下面仍以卷積運算為例來探討串行結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

每來一個數(shù)據(jù)需要先加權(quán)求和再移位存儲，移位存儲是為了下一個數(shù)據(jù)提供歷史數(shù)據(jù)。假定輸入數(shù)據(jù)信號為

X，以往的數(shù)據(jù)保存在RAM存儲單元XM[0]~XM[M-2]內(nèi)。若當前數(shù)據(jù)為xn，則存儲單元中的數(shù)據(jù)按地址從小到大依次為數(shù)據(jù)xn-1~xn-M+1。為了保證權(quán)值下標與數(shù)據(jù)一致，權(quán)值h1~hM-1依次保存在ROM存儲單元HM[0]~HM[M-2]中。

加權(quán)求和的計算表達式為

移位存儲的狀態(tài)方程為

實際存儲器的輸入DI和輸出DO是不同的，當采用讀優(yōu)先時，可以對同一地址AD實現(xiàn)同時讀寫。按照存儲器操作的形式來重寫表達式，即

加權(quán)求和流程和移位存儲流程分別如圖8-14(a)和圖8-14(b)所示。圖中i為循環(huán)控制量同時也作為地址偏移量。從流程中可以看出加權(quán)求和與移位存儲可以同時進行，兩者的流程可以合并成一個完整運算的流程，如圖8-14(c)所示。

圖8-14卷積運算的串行處理流程

整個運算的工作時序如圖8-15所示。圖8-15卷積運算的串行處理流程工作時序

其中：

串行結(jié)構(gòu)電路設(shè)計的重點是狀態(tài)設(shè)計和存儲與運算一體化設(shè)計。在涉及大量數(shù)據(jù)運算時，合理的結(jié)構(gòu)可以有效減少寄存器和邏輯運算器的使用，節(jié)約邏輯電路資源。

8.4狀態(tài)機

8.4.1有限狀態(tài)機有限狀態(tài)機(FSM)主要用于設(shè)計計算機程序和時序邏輯電路。它被設(shè)想為抽象機器，可以處于有限數(shù)量的用戶定義的狀態(tài)之一。機器一次只能處于一種狀態(tài)，它在任何給定時間所處的狀態(tài)稱為當前狀態(tài)。當有觸發(fā)事件或條件滿足時，它可以從一種狀態(tài)改變?yōu)榱硪环N狀態(tài)(稱為轉(zhuǎn)移)。

某閘機如圖8-16所示，它由門禁閘機控制器(簡稱閘控器)、RFID識別器、閘門啟閉器、語音播放器、紅外線檢測器、指示燈顯控器構(gòu)成。

圖8-16門禁閘機的電路結(jié)構(gòu)

閘控器需要三種狀態(tài)：禁行態(tài)、待入態(tài)和待出態(tài)?？刂屏鞒滩捎脿顟B(tài)—觸發(fā)思路來描述，即在何種狀態(tài)下何種變化會導(dǎo)致何種操作。控制器加電后進入禁行態(tài)。在禁行態(tài)下，若信號C變?yōu)楦?，則進行通行控制操作，并進入待入態(tài)；在待入態(tài)下，若N個時鐘周期內(nèi)沒人進入，則進行禁行控制操作并返回禁行態(tài)；在待入態(tài)下，若有人進入，則轉(zhuǎn)入待出態(tài)；在待出態(tài)下，若檢測沒人在通道，則進行禁行控制操作，并返回禁行態(tài)。

采用有限狀態(tài)機描述時，等待

N

個時鐘周期就意味需要N個不同的狀態(tài)。因此，待入狀態(tài)細分為待入1態(tài)、待入2態(tài)(已經(jīng)等待1個時鐘周期)、……、待入

N

態(tài)(已經(jīng)等待N-1個時鐘周期)。

對各狀態(tài)進行賦值，禁行態(tài)定為0，待入1態(tài)定為1，待入2態(tài)定為2，……，待入

N態(tài)定為N，待出態(tài)定為

N+1。

其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖8-17所示。圖8-17閘控器電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

功能仿真波形如圖8-18所示。圖8-18閘控器電路的功能仿真波形

8.4.2高級狀態(tài)機

在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，行為描述和系統(tǒng)實現(xiàn)是兩個關(guān)鍵步驟。可以通過高級狀態(tài)機來描述系統(tǒng)的行為，再使用標準處理器架構(gòu)來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。

具體而言，設(shè)計的第一步是準確捕獲所需的系統(tǒng)行為，使用高級狀態(tài)機或其他形式的形式化描述來明確系統(tǒng)應(yīng)有的功能和操作。第二步是將這種行為轉(zhuǎn)換為具體的電路設(shè)計。以處理器架構(gòu)為基礎(chǔ)，通常包括控制器和與之相連的數(shù)據(jù)通路。

例如，需要設(shè)計一個自動售貨機系統(tǒng)，當投入足夠的錢后就可以得到商品。該數(shù)字系統(tǒng)如圖8-19所示，它由自動售貨機控制器(簡稱自動售貨機)、投幣識別器、分配貨物模塊、投幣面額檢測器、貨物售價輸入模塊組成。投幣識別器提供一個1位輸入C，當檢測到貨幣時，在一個時鐘周期內(nèi)C變?yōu)?；一個8位輸入A表示插入硬紙幣的面額，例如，1元(00000001)或10元(00001010)。另一個8位輸入S

表示貨物的售價，如12元(00001100)，這可以由機器擁有者設(shè)置。

當處理器檢測到存入的貨幣總價值等于或超過一瓶汽水的售價時(例如，1+10+1≥12)，處理器應(yīng)該在一個時鐘周期內(nèi)將一個輸出位

D

設(shè)置為1，從而分配一個貨物(這臺機器只提供一種類型的貨物，并且不找零)。假設(shè)值

A

在下一個貨幣存入之前保持不變，并且在連續(xù)存入貨幣之間可能有許多時鐘周期。

圖8-19自動售貨機的電路結(jié)構(gòu)

使用圖8-20的高級狀態(tài)機描述自動售貨機功能，擴展了狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，以描述更復(fù)雜的行為。高級狀態(tài)機與有限狀態(tài)機的主要區(qū)別有：

(1)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件可以是復(fù)雜的描述，也就是說可以處理多位數(shù)據(jù)的輸入和輸出，而不僅僅是單個比特。

(2)狀態(tài)對應(yīng)的輸出結(jié)果也可以是復(fù)雜的功能，包括本地存儲以及算術(shù)運算，如加法和比較，而不僅僅是布爾運算。

圖8-20自動售貨機的高級狀態(tài)機

再使用處理器的構(gòu)架來實現(xiàn)系統(tǒng)，將系統(tǒng)分為控制器和數(shù)據(jù)通路兩部分。數(shù)據(jù)路徑包含一個用于存儲總錢數(shù)tot的寄存器，一個加法器用于計算tot+A，以及一個比較器用于計算tot<S。自動售貨機的電路實現(xiàn)構(gòu)架如圖8-21所示。

圖8-21自動售貨機的電路實現(xiàn)構(gòu)架

控制器采用有限狀態(tài)機描述(如圖8-22所示)，它通過設(shè)置數(shù)據(jù)路徑組件的控制輸入信號，例如，寄存器的加載控制輸入load來驅(qū)動整個系統(tǒng)的行為?？刂破鬟€負責根據(jù)數(shù)據(jù)路徑組件的狀態(tài)或輸出，確定系統(tǒng)的下一個狀態(tài)。

圖8-22自動售貨機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

功能仿真波形如圖8-23所示。圖8-23自動售貨機的功能仿真波形

8.4.3規(guī)范說明與描述語言

有限狀態(tài)機主要用于描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，而轉(zhuǎn)移過程所要做的處理操作沒法呈現(xiàn)出來，下面引入一種可以將狀態(tài)轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)移過程中所進行的處理流程融于一體的描述語言。

規(guī)范說明與描述語言是一種描述實時系統(tǒng)的建模語言，它既可以規(guī)范說明一個系統(tǒng)所應(yīng)具有的行為，也可以描述一個系統(tǒng)實際具有的行為。SDL廣泛應(yīng)用于自動汽車、航空、交通、醫(yī)療和電信領(lǐng)域。

進程是系統(tǒng)行為最基本的執(zhí)行實體，由用于執(zhí)行的代碼組成，主要描述處理步驟和具體操作。系統(tǒng)行為通過若干進程實例來描述，進程實例之間利用信號進行消息傳遞。

進程描述是基于擴展FSM的，其內(nèi)部含有私有存儲空間和消息隊列。私有存儲空間主要用來保存工作狀態(tài)和處理變量，而消息隊列則處于輸入端口來接收消息(相當于FSM的輸入)，處理過程中也會產(chǎn)生消息傳至輸出端口(相當于FSM的輸出)。進程中的消息相當于FSM中的輸入/輸出，狀態(tài)決定進程在接收到特定消息時應(yīng)有哪種行為，轉(zhuǎn)移是兩狀態(tài)之間的執(zhí)行代碼。

進程通常用進程圖來定義和描述，進程圖的內(nèi)容主要是狀態(tài)機圖，常用符號如表8-1所示。

常規(guī)的連接規(guī)則如下：

(1)只有輸入、優(yōu)先輸入、連續(xù)信號才能使狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移。

(2)狀態(tài)后面只能跟隨輸入、優(yōu)先輸入、連續(xù)信號和輸入保存。

(3)輸出只能發(fā)生在進程對輸入的響應(yīng)動作的執(zhí)行過程中，無入必無出。

常規(guī)的有限狀態(tài)機主要由狀態(tài)、輸入和輸出構(gòu)成，其主要作用是展示狀態(tài)轉(zhuǎn)移。SDL是擴展的有限狀態(tài)機，它不僅將狀態(tài)、輸入和輸出之間的關(guān)系展示出來，同時展示出具體的輸入響應(yīng)處理過程。

進程圖實質(zhì)是某狀態(tài)下輸入觸發(fā)的流程，圖8-24為某進程示意圖。

圖8-24某進程示意圖

以閘控器為例，根據(jù)其有限狀態(tài)機圖和工作流程可得如圖8-25所示的SDL進程圖。圖8-25閘控器的SDL進程圖

進程中的內(nèi)部計時操作可以有內(nèi)部專用定時器，它采用專用電路模塊實現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖8-26所示。其中，T

為啟動和關(guān)閉信號，TO為定時超時標志信號。M

為設(shè)定的延時值，M

為0表明關(guān)閉定時，M

為1表明后續(xù)時鐘超時處理，其他值表明

M

個時鐘后超時處理。

圖8-26進程內(nèi)部專用定時器的狀態(tài)圖

閘控器采用內(nèi)部定時器來實現(xiàn)等待進入的進程圖如圖8-27所示。圖8-27基于內(nèi)部定時器觸發(fā)的進程圖

8.4.4設(shè)計示例

SLIP(SerialLineIP)協(xié)議是一種串行線上對互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報進行封裝的簡單組幀方式。協(xié)議采用字符END(0xC0)來表示一幀的開始和結(jié)束。為了防止數(shù)據(jù)中出現(xiàn)0xC0使收方錯誤地終止一幀的接收，因此需要采用轉(zhuǎn)義方式來表示END，即當數(shù)據(jù)中有END字符時采用ESC+0xDC兩個字符來替代。ESC作為轉(zhuǎn)義符，數(shù)據(jù)中本身所有的字符ESC也需要通過轉(zhuǎn)義來表示，即當數(shù)據(jù)報中有ESC字符時，需要用ESC+0xDD替代。

發(fā)方的發(fā)送操作流程如下：

(1)啟動發(fā)送，發(fā)送開始字符END。

(2)判定已發(fā)字符數(shù)是否小于N，否則轉(zhuǎn)向執(zhí)行(5)。

(3)從存儲器中取出當前待發(fā)字符，判定字符是否為END或ESC，若是則先輸出ESC再輸出0xDC或0xDD，否則直接輸出待發(fā)字符。

(4)已發(fā)字符數(shù)增1，轉(zhuǎn)向執(zhí)行(2)。

(5)發(fā)送結(jié)束字符END后結(jié)束發(fā)送。

其操作流程圖如圖8-28所示。

圖8-28SLIP協(xié)議發(fā)送操作流程

在發(fā)送操作電路中，字符輸出操作是由外部電路完成，外部控制電路通過“數(shù)據(jù)發(fā)送”事件信號DatTx啟動逐個字符發(fā)送存儲器數(shù)據(jù)的操作，全部數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，產(chǎn)生“數(shù)據(jù)發(fā)送完成”事件信號DatTxEnd返給外部控制電路以告知數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

由于字符發(fā)送是由外部傳輸電路實現(xiàn)，所以每次字符發(fā)送產(chǎn)生一個“字符發(fā)送”事件信號ChTx讓外部傳輸電路啟動給定字符的發(fā)送，外部傳輸電路發(fā)送完字符后產(chǎn)生“字符發(fā)完”事件信號ChTxEnd來告知發(fā)送操作電路。外部傳輸電路發(fā)送需要一定時長，因此，發(fā)送操作中存在一個等待操作，即等字符發(fā)完。

發(fā)送操作電路收到“字符發(fā)完”事件信號后才可以進行后續(xù)操作。后續(xù)工作有三種情況：

一種是剛發(fā)完正常字符，接著發(fā)送后一個字符；第二種是剛發(fā)完0xDB，接著發(fā)送0xDC或0xDD；第三種是剛發(fā)完結(jié)束字符，結(jié)束發(fā)送。因此發(fā)送完等待分為三種狀態(tài)，即常規(guī)發(fā)送等待(TXW)、特殊發(fā)送等待(STXW)和結(jié)束發(fā)送等待(ETXW)。

下面進行發(fā)送操作電路的工作狀態(tài)分析。

(1)加電后，電路進入空閑狀態(tài)(IDLE)。

(2)電路被DatTx觸發(fā)后，先產(chǎn)生ChTx觸發(fā)外部傳輸電路進行字符0xC0發(fā)送，同時將發(fā)送字符序號置0，進入狀態(tài)TXW。

(3)在狀態(tài)TXW下，電路被ChTxEnd觸發(fā)后，若發(fā)送字符數(shù)達到規(guī)定數(shù)目N，則產(chǎn)生ChTx進行字符0xC0發(fā)送，并進入狀態(tài)ETXW；若待發(fā)字符是特殊字符，則將待發(fā)字符置為0xDC或0xDD，產(chǎn)生ChTx發(fā)送0xDB，進入狀態(tài)ETXW；若待發(fā)字符是正常字符，則產(chǎn)生ChTx發(fā)送待發(fā)字符，進入狀態(tài)TXW。

(4)在狀態(tài)STXW下，電路被ChTxEnd觸發(fā)后，發(fā)送待發(fā)字符，進入狀態(tài)TXW。

(5)在狀態(tài)ETXW下，電路被ChTxEnd觸發(fā)后，表明當前發(fā)送操作結(jié)束，產(chǎn)生DatTxEnd并進入狀態(tài)IDLE。

發(fā)送器有11個輸入/輸出，如圖8-29所示。

圖8-29SLIP協(xié)議發(fā)送器電路符號

在電路中實現(xiàn)信號觸發(fā)是通過判定信號電平是否發(fā)生改變來確定的，即產(chǎn)生信號時，將當前信號的輸出電平反轉(zhuǎn)，在功能真值表中采用“?”表示。

在發(fā)送操作中，需要對發(fā)送數(shù)目進行計數(shù)，所以需要寄存已經(jīng)發(fā)送的數(shù)目txi。

發(fā)送電路是一個有限狀態(tài)機，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如表8-2所示。

整個發(fā)送操作的SDL流程如圖8-30所示。圖8-30SLIP協(xié)議發(fā)送的SDL流程圖

產(chǎn)生事件信號采用電平翻轉(zhuǎn)電路，如圖8-31(a)所示，事件信號變化檢測采用當前時刻值與前一時刻值對比判定，可以采用鎖存和異或門組合電路完成，如圖8-31(b)所示。圖8-31事件信號產(chǎn)生與檢測電路

仿真波形如圖8-32所示。圖8-32SLIP協(xié)議發(fā)送電路的仿真波形

8.5模

塊

互

聯(lián)

8.5.1互聯(lián)描述

SDL的組織有兩部分：系統(tǒng)與行為體。行為體是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成部分，有兩種類型：功能塊和進程。功能塊是結(jié)構(gòu)化組成部分，它主要用來模塊化功能行為，并不實現(xiàn)任何具體操作。一個功能塊可以進一步分解成許多功能塊，方便處理更大的系統(tǒng)。

因此，一個SDL圖有三部分：系統(tǒng)、功能塊和進程。系統(tǒng)定義了整個設(shè)計中所涉及的主要功能實體；功能塊展示了功能實現(xiàn)所需要的操作執(zhí)行實體及它們之間的關(guān)系；進程是最基本的執(zhí)行實體，它描述處理步驟和具體操作。

一個系統(tǒng)由若干功能塊組成，一個功能塊由若干功能相近的進程或功能塊組成，一個進程是一個有限狀態(tài)機。系統(tǒng)行為通過進程實例來描述，進程實例之間利用信號進行消息傳遞，即有限狀態(tài)機中的輸入/輸出。

SDL采用圖來說明建模過程。功能塊采用內(nèi)部有功能塊名稱的實線矩形來表示；進程采用實線圓角方框來表示，內(nèi)部有進程名稱和啟動時實例數(shù)目與最大數(shù)目，兩個數(shù)目在進程名稱后的括號內(nèi)，省略則表示啟動時實例數(shù)目為1且最大數(shù)目無限。

整個系統(tǒng)的構(gòu)架可采用如圖8-33所示的樹狀層次關(guān)系描述，葉子是進程。

圖8-33系統(tǒng)架構(gòu)的樹狀層次關(guān)系描述

最為常用的是如圖8-34所示的包含關(guān)系描述。系統(tǒng)包含關(guān)系圖中列出了功能塊及它們之間的消息交互關(guān)系，而功能塊包含關(guān)系列出了進程或子功能塊及它們之間的消息交互關(guān)系。

圖8-34系統(tǒng)的包含關(guān)系描述

8.5.2服務(wù)原語

整個系統(tǒng)中的各進程是靠消息交互觸發(fā)處理操作的，模塊互聯(lián)設(shè)計的首要任務(wù)是規(guī)范消息設(shè)計。

在日常生活中，兩個實體之間的交互行為是非常普遍的。交互行為可視為服務(wù)活動，根據(jù)行為特征和發(fā)生場景可將兩個實體分為服務(wù)用戶和服務(wù)提供者。

以顧客去茶館喝茶時與服務(wù)員之間的服務(wù)活動對話為例，顧客就是服務(wù)用戶，服務(wù)員就是服務(wù)提供者。兩者之間的正常服務(wù)活動對話可以分為四種類型，如圖8-35所示。

圖8-35茶館的服務(wù)活動對話

在同一個系統(tǒng)中，模塊N作為服務(wù)提供者，模塊M為服務(wù)用戶，兩者之間交互的基本服務(wù)原語有四類：

(1)請求(Request，Req)，即由服務(wù)用戶產(chǎn)生發(fā)向服務(wù)提供者，服務(wù)用戶讓服務(wù)提供者激活相應(yīng)的服務(wù)。

(2)確認(Confirm，Cfm)，即由服務(wù)提供者產(chǎn)生發(fā)向服務(wù)用戶，服務(wù)提供者向服務(wù)用戶傳送前面服務(wù)請求的服務(wù)結(jié)果。

(3)指示(Indication，Ind)，即由服務(wù)提供者產(chǎn)生發(fā)向服務(wù)用戶，服務(wù)提供者向服務(wù)用戶指示它內(nèi)部發(fā)生了對服務(wù)用戶非常重要的事件，使服務(wù)用戶激活相應(yīng)的處理。

(4)響應(yīng)(Response，Rsp)，即由服務(wù)用戶產(chǎn)生發(fā)向服務(wù)提供者，服務(wù)用戶向服務(wù)提供者告知前面指示所激活的處理結(jié)束。

通常“請求”與“確認”為一對，“指示”與“響應(yīng)”為一對，沒有“請求”就不會單獨產(chǎn)生“確認”，沒有“指示”也不會單獨產(chǎn)生“響應(yīng)”。如果服務(wù)提供者接收“請求”并立即執(zhí)行且不影響下一次“請求”的接收，同時服務(wù)用戶認為服務(wù)提供者完全可以在下一次“請求”產(chǎn)生之前完成服務(wù)，那么服務(wù)提供者可以不用產(chǎn)生“確認”，服務(wù)用戶也不用等待“確認”。

原語通常針對某一行為來描述。圖8-36是對茶館服務(wù)采用原語進行規(guī)范描述。在D型服務(wù)中，服務(wù)員給用戶提供的行為是上茶，是服務(wù)員接收“點茶請求”后自己發(fā)起的行為，而不是對顧客點茶行為的確認，故采用“指示”原語。從功能上看，這個行為是服務(wù)員對顧客點茶行為的確認。因此，原語的設(shè)計優(yōu)先針對行為，這樣條理清晰，不容易產(chǎn)生理解偏差。

圖8-36茶館服務(wù)的原語描述

8.5.3設(shè)計示例

一個數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計要從整體開始，步步細化，最后到執(zhí)行細節(jié)(進程)。

通信系統(tǒng)