7-1數(shù)字系統(tǒng)概述

第七章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

7.1概述主講人：黃麗亞7.1概述數(shù)字系統(tǒng)是由若干數(shù)字邏輯部件構(gòu)成的，能夠?qū)?shù)字信息進行處理、傳送及存儲的物理設(shè)備，它是計算機、人工智能、機器人、數(shù)字通信等技術(shù)的共同的物理基礎(chǔ)。

工程中廣泛應(yīng)用的是只有一個時鐘的同步數(shù)字系統(tǒng)，本章只討論同步數(shù)字系統(tǒng)。對于大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，傳統(tǒng)的真值表、卡諾圖、邏輯方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖等方法已經(jīng)無法適應(yīng)，需要一種數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法，突破傳統(tǒng)方法的局限性。受控器，完成對信息的處理7.1.1數(shù)字系統(tǒng)的基本模型輸出接口數(shù)據(jù)處理器輸入接口控制器時鐘外部輸入激勵信號狀態(tài)信號控制信號數(shù)字邏輯子系統(tǒng)外部輸出激勵信號完成A/D，同步化處理。完成D/A轉(zhuǎn)換完成對處理器的控制。有無控制器是區(qū)別數(shù)字系統(tǒng)和簡單邏輯部件的標志。SC輸入接口外部輸入控制信號輸出接口外部輸出控制信號(1)數(shù)據(jù)處理器

圖7.1.2數(shù)據(jù)處理器模型數(shù)據(jù)處理器控制器狀態(tài)信號控制信號數(shù)字邏輯子系統(tǒng)SC

組合邏輯網(wǎng)絡(luò)QmQ1

m

1……輸入信號輸出信號…S控制網(wǎng)絡(luò)…

m

1CXZZ=G(X,Q,C)數(shù)據(jù)處理器的描述方法明細表：規(guī)定數(shù)據(jù)處理任務(wù)的表格兩個子表：操作表和狀態(tài)變量表。操作表：列出在控制信號下，數(shù)據(jù)處理器應(yīng)實現(xiàn)的操作。狀態(tài)變量表：定義數(shù)據(jù)處理器輸出的狀態(tài)變量和信號。

組合邏輯網(wǎng)絡(luò)QmQ1

m

1……輸入信號輸出信號…S控制網(wǎng)絡(luò)…

m

1CXZ設(shè)一個簡單數(shù)據(jù)處理器如圖A←0,B←0CLAB輸出Z=AB←B+XADDBX<0S2A←A+XADDAX>0S1無操作NOP定義狀態(tài)變量操作控制信號狀態(tài)變量表操作表表7.1.1數(shù)據(jù)處理器明細表AB組合電路SCXZ2.控制器

實現(xiàn)一個較復(fù)雜的任務(wù)，必存在一個算法，控制器就是用來規(guī)定算法的步驟。

控制器決定算法步驟，必須有記憶能力，所以它是一個時序電路，應(yīng)包含存儲器。C=F（S,CI,Q）Qn+1=G（S,CI,Qn）

控制器的描述方法：狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移表組合邏輯網(wǎng)絡(luò)S(Q)狀態(tài)寄存器C現(xiàn)態(tài)激勵信號外部輸入控制信號CI

外部輸出控制信號COCO=F（S,CI,Q）7.1.2對數(shù)字系統(tǒng)的時序的約定1.同步數(shù)字系統(tǒng)

(1)只有一個系統(tǒng)時鐘；

(2)輸入信號都與系統(tǒng)時鐘同步；

(3)系統(tǒng)時鐘同時到達所有存儲元件的時鐘脈沖輸入端。

CP

現(xiàn)態(tài)次態(tài)圖7.1.4系統(tǒng)時鐘脈沖波形

組合邏輯網(wǎng)絡(luò)QmQ1

m

1…輸出信號…S=R(X,Q)控制網(wǎng)絡(luò)…

m

1C=F(S,CI,Q)…輸入信號XZ=G(X,Q,C)組合邏輯網(wǎng)絡(luò)外部輸入控制信號CI外部輸出控制信號(Q)狀態(tài)寄存器現(xiàn)態(tài)1）最小時鐘周期CP1.觸發(fā)器和輸入更新；2.狀態(tài)信號S更新；3.控制信號C更新；4.輸出信號Z和控制網(wǎng)絡(luò)

更新；最小周期由以上操作時間決定。3.異步輸入信號轉(zhuǎn)換成同步輸入信號異步輸入信號：早于或晚于系統(tǒng)時鐘有效沿出現(xiàn)的輸入信號。CP

異步輸入a異步輸入b

同步化后的輸入a

同步化后的輸入b同步化處理的思路：

(1)將異步輸入信號寄存并保留到下一個系統(tǒng)時鐘出現(xiàn)為止；(2)讓同步化后的輸入與當前系統(tǒng)時鐘的有效時刻同時出現(xiàn)，并保持一個時鐘周期。圖7.1.7適應(yīng)于寬脈沖的單脈沖電路PB﹡CPQ1Q2PB(b)波形圖1DC11QQPBPB﹡1DC12QQCP(a)電路1.系統(tǒng)設(shè)計確定輸出和輸入之間的關(guān)系，找到實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法。劃分系統(tǒng)的控制單元和受控單元，確定初始結(jié)構(gòu)框圖。建立算法流程圖，表示解決問題的步驟。明確設(shè)計任務(wù)確定初始結(jié)構(gòu)算法流程圖7.1.4數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計步驟（自頂向下法）①數(shù)據(jù)處理器設(shè)計②控制器設(shè)計

建立操作明細表建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移表2、邏輯設(shè)計根據(jù)一定的規(guī)則將算法流程圖轉(zhuǎn)換成ASM圖。7.1.4數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計步驟選擇合理的器件和連接關(guān)系，以實