《《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》第十一章》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《《數(shù)字電路與數(shù)字邏輯》第十一章（90頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第 十 一 章 數(shù) 字 系 統(tǒng) 設 計 基 礎 一 、 數(shù) 字 系 統(tǒng) 概 念 由 若 干 數(shù) 字 邏 輯 部 件 構 成 的 能 夠 產(chǎn) 生 、 存 儲 、傳 輸 、 處 理 數(shù) 字 信 息 的 客 觀 實 體 。 二 、 數(shù) 字 系 統(tǒng) 的 設 計 任 務 1.用 規(guī) 范 化 和 形 式 化 的 方 式 作 出 正 確 的 系 統(tǒng) 邏 輯功 能 描 述 ；2.設 計 具 體 的 電 路 來 實 現(xiàn) 所 描 述 的 系 統(tǒng) 邏 輯 功 能 。 三 、 數(shù) 字 系 統(tǒng) 的 設 計 方 法 1.自 底 向 上 法 （ Bottom-up） 元 件 級 部 件 級 子 系 統(tǒng) 級 系 統(tǒng) 級 優(yōu)

2、點 ： 可 以 繼 承 使 用 經(jīng) 過 驗 證 的 、 成 熟 的 部 件與 子 系 統(tǒng) ， 從 而 可 以 設 計 重 用 ， 減 少 設 計的 重 復 勞 動 ， 提 高 設 計 生 產(chǎn) 率 。 缺 點 ： 設 計 人 員 的 思 想 受 控 于 現(xiàn) 成 可 用 的 元 件 ，不 容 易 實 現(xiàn) 系 統(tǒng) 化 的 、 清 晰 易 懂 的 以 及 可靠 性 高 、 可 維 護 性 好 的 設 計 。 2.自 頂 向 下 法 （ Top-Down） 系 統(tǒng) 級 子 系 統(tǒng) 級 部 件 級 元 件 級是 一 種 概 念 驅 動 的 設 計 方 法 。 在 整 個 設 計 過程 中 盡 量 運 用

3、概 念 （ 即 抽 象 ） 去 描 述 和分 析 設 計 對 象 ， 而 不 過 早 地 考 慮 實 現(xiàn) 該設 計 的 具 體 電 路 、 元 器 件 和 工 藝 ， 以 抓住 主 要 矛 盾 ， 避 免 糾 纏 在 具 體 細 節(jié) 上 。 可 實 現(xiàn) 系 統(tǒng) 化 的 、 清 晰 易 懂 的 以 及 可 靠 性 高 、可 維 護 性 好 的 設 計 。 3.以 自 頂 向 下 法 為 主 導 ， 并 結 合 使 用 自 底 向 上法 （ TD(2)輸 出 接 口 ： 輸 出 整 個 系 統(tǒng) 的 各 類 信 號 ; (3)數(shù) 據(jù) 處 理 器 (4)控 制 器 輸 出 接 口數(shù) 據(jù)處 理 器輸 入

4、 接 口輸 入 接 口 控 制 器 輸 出 接 口外 部 輸 入控 制 信 號 時 鐘輸 入 信 號 狀 態(tài)信 號控 制信 號數(shù) 字 邏 輯 子 系 統(tǒng) 輸 出 信 號外 部 輸 出控 制 信 號圖 11.1.1 數(shù) 字 系 統(tǒng) 的 一 般 模 型 2.數(shù) 據(jù) 處 理 器 (1)模 型 組 合 網(wǎng) 絡 寄 存 器 組 控 制 網(wǎng) 絡 (2)設 計通 過 對 系 統(tǒng) 邏 輯 的 分 析 ， 明 確 數(shù) 據(jù) 處 理 器 的 操 作任 務 ， 作 出 數(shù) 據(jù) 處 理 器 操 作 明 細 表 ， 以 操 作 明 細表 作 為 設 計 依 據(jù) 。 圖 11.1.2 數(shù) 據(jù) 處 理 器 模 型組 合 邏

5、輯 網(wǎng) 絡QmQ1 m1輸 入信 息 輸 出信 息S 控 制 網(wǎng) 絡 m1C 表 11.1.1 數(shù) 據(jù) 處 理 器 明 細 表A0,B0CLAB 輸 出 Z=ABB+XADDB X0S1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 3.控 制 器(1)模 型 組 合 網(wǎng) 絡 狀 態(tài) 寄 存 器 （ Q）(2)設 計以 狀 態(tài) 轉 移 表 為 設 計 依 據(jù) 。 組 合 邏 輯 網(wǎng) 絡外 部 輸 入控 制 信 號 外 部 輸 出控 制 信 號S Q狀 態(tài)寄 存 器 C現(xiàn) 態(tài) 激 勵 信 號圖 11.1.3 控 制 器 模 型 二 、 數(shù) 字 系 統(tǒng) 的

6、 定 時 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 11.1.4 系 統(tǒng) 時 鐘 脈 沖 波 形 2.最 小 時 鐘 周 期CPS（ 狀 態(tài) 信 號 ） 穩(wěn) 定 C（ 控 制 信 號 ） 穩(wěn)定 （ 寄 存 器 功 能 選 擇 信 號 ） 、 Z（ 輸 出 ）穩(wěn) 定 CP。3.異 步 輸 入 信 號 轉 換 成 同 步 輸 入 信 號 異 步 輸 入 信 號 ： 早 于 或 晚 于 系 統(tǒng)

7、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 11.1.5轉 換 電 路 三 、 數(shù) 字 系 統(tǒng) 的 設 計 步 驟 1.系 統(tǒng) 級 設 計 2.子 系 統(tǒng) 、 部 件 、 元 件 級 設 計 明 確

8、設計 任 務 確 定 邏輯 算 法 系 統(tǒng)劃 分3.物 理 設 計 (1)邏 輯 設 計(2)電 路 設 計(1)用 通 用 集 成 電 路 和 印 刷 電 路 板 實 現(xiàn) ； (2)用 掩 模 ASIC實 現(xiàn) （ 即 在 硅 片 上 制 作 專 用 集 成電 路 ） ； (3)用 MCM實 現(xiàn) （ Multichip Module ： 多 芯 片 模塊 ， 即 用 多 片 未 封 裝 的 硅 電 路 片 ， 在 陶 瓷片 經(jīng) 二 次 集 成 后 的 模 塊 。 ） ； (4)用 PLD實 現(xiàn) ； 當 系 統(tǒng) 中 各 個 子 系 統(tǒng) （ 指 最 低 層 子 系 統(tǒng) ） 或 部件 的 邏 輯 功

9、 能 和 結 構 確 定 后 ， 采 用 比 較 規(guī) 范 的形 式 來 描 述 系 統(tǒng) 的 邏 輯 功 能 。 數(shù) 據(jù) 處 理 器 設 計 控 制 器 設 計 建 立 操 作 明 細 表 建 立 狀 態(tài) 轉 移 表 選 擇 合 理 的 器 件 和 連 接 關 系 ， 以 實 現(xiàn) 系 統(tǒng) 邏輯 要 求 。 電 路 設 計 的 結 果 常 采 用 兩 種 方 式 來表 達 ： 電 路 圖 方 式 、 硬 件 描 述 語 言 方 式 。 第 二 節(jié) 寄 存 器 傳 輸 語 言 (RTL) 1.寄 存 器 傳 輸 操 作 所 存 信 息 的 處 理 和 存 貯 2.寄 存 器 傳 輸 語 言 即 表

10、示 了 寄 存 器 傳 輸 操 作 ， 又 和 硬 件 間 有 個 簡單 的 對 應 關 系 的 一 種 方 便 的 設 計 工 具 。 一 、 寄 存 器 間 的 信 息 傳 輸 1.寄 存 器 的 表 示 方 法 大 寫 英 文 字 母 方 塊 圖 A(a)寄 存 器 A AnAn-1A2A1(b)寄 存 器 A的 各 個 位 表 示 A(c)寄 存 器 位 編 號 表 示1 n圖 11.2.1 寄 存 器 方 塊 圖 表 示 1 CNT=0M=1010（ 被 乘 數(shù) ） ; Q=1101（ 乘 數(shù) ）1) CNT=0Qr=1, AA+M (加 以 后 的 A=00000+1010=010

11、10)ASR(A)（ 移 位 后 的 A=00101） ,QSR(Ar,Q) （ 移 位 后 的 Q=0110)2) CNT=1Qr=0, AA (即 A保 持 00101)ASR(A)（ 移 位 后 的 A=00010） ,QSR(A r,Q) （ 移 位 后 的 Q=1011)3) CNT=2Qr=1, AA +M (加 以 后 的 A=00010+1010=1100)ASR(A)（ 移 位 后 的 A=00110） ,QSR(Ar,Q) （ 移 位 后 的 Q=0101)4) CNT=3Qr=1, AA +M (加 以 后 的 A=00110+1010=10000)ASR(A)（ 移 位

12、 后 的 A=01000） ,QSR(A r,Q) （ 移 位 后 的 Q=0010)結 果 AQ= 01000 0010結 構M 組 合 電 路CNT 控 制 器S C ZQ1QrA0Ar (a)結 構M 組 合 電 路CNT 控 制 器S CMF ZQ1 QrA0 Ar 圖 11.4.2 乘 法 器 的 算 法與 結 構(b)算 法 流程 圖 MF=1CNT0,A0Qr=1AA+MASR(A),QSR(Ar,Q),CNTCNT+1CNT= r YYYNNN A=00000;CNT=0M=1010（ 被 乘 數(shù) ） ; Q=1101（ 乘 數(shù) ）1) CNT=0Qr=1, AA+M (加 以

13、 后 的 A=01010)ASR(A)（ 移 位 后 的 A=00101） ,QSR(Ar,Q) （ 移 位 后 的 Q=0110)2) CNT=1Qr=0, AA (即 A保 持 00101)ASR(A)（ 移 位 后 的 A=00010） ,QSR(Ar,Q) （ 移 位 后 的 Q=1011)3) CNT=2Qr=1, AA +M (A=00010+1010=1100)ASR(A)（ 移 位 后 的 A=00110） , QSR(Ar,Q) （ 移 位 后 的 Q=0101)4) CNT=3Qr=1, AA +M (A=00110+1010=10000)ASR(A)（ 移 位 后 的 A

14、=01000） ,QSR(Ar,Q) （ 移 位 后 的 Q=0010)結 果 AQ= 01000 0010 控制器 CLRADDSHIFTS1（ MF）S2(Qr)S3(CNT=3) (a)控 制 器并 加 器MA QCNTA0 Qr0 (b)數(shù) 據(jù) 處 理 器圖 11.4.3 乘 法 器 細 化 結 構 圖 圖 11.4.4 乘 法 器的 ASM圖S1S2SHIFT1000T0T1T2 1 1001100CLRADDS3 MF=1CNT0,A0Qr=1AA+MASR(A),QSR(Ar,Q),CNTCNT+1CNT= r YYYNNN算 法 流 程圖 一 、 系 統(tǒng) 級 設 計 1.算 法

15、 設 計(1)手 算 過 程 (一 次 相 加 )(2)電 路 實 現(xiàn) 過 程 (多 次 相 加 )(3)部 分 積 左 移 算 法 流 程 圖 與 系 統(tǒng) 初 始 結 構 圖(4)部 分 和 右 移 算 法 流 程 圖 與 系 統(tǒng) 初 始 結 構 圖2.確 定 系 統(tǒng) 的 細 化 結 構 圖 和 ASM圖 二 、 子 系 統(tǒng) 級 、 部 件 級 、 元 件 級 設 計 1.數(shù) 據(jù) 處 理 器 的 設 計ASM圖操 作 明 細 表選 元 器 件求 表 達 式 邏 輯 設 計電 路 設 計 2.控 制 器 的 設 計(1)用 每 態(tài) 一 個 觸 發(fā) 器 的 方 法不 需 要 進 行 狀 態(tài) 分

16、配 ， 不 用 列 狀 態(tài) 轉 移 表 。選 元 器 件求 表 達 式 電 路 設 計 (2)用 數(shù) 據(jù) 選 擇 器 、 寄 存 器 、 譯 碼 器 的 方 法ASM圖狀 態(tài) 轉 移 表選 元 器 件求 表 達 式 邏 輯 設 計電 路 設 計 (3)用 PLA的 方 法ASM圖狀 態(tài) 轉 移 表選 元 器 件求 表 達 式 邏 輯 設 計電 路 設 計PLA編 程 表 操 作 表 狀 態(tài) 變 量 表控 制信 號 操 作 狀 態(tài) 變 量 定 義CLR A0,CNT0 S1 MFADD AA+M S2 QrSHIFT ASR(A) QSR(Ar,Q)CNTCNT+1 S3 CNT=3表 11.4

17、.3 乘 法 器 明 細 表S1S2SHIFT1000T0T1T2 1 1001100CLRADDS3 圖 11.4.4 乘 法 器 的 ASM圖 表 11.4.4 74194功 能 表置 數(shù)11 左 移01 右 移10 保 持00 功 能M0M1 表 11.4.5 M1、 M0真 值 表10SHIFT 11ADD 11CLR M0M1控 制 信 號 M1M0 PTCRLDQ1Q0B3 B0 F3 F0A3 A0 4 M1M0 4 開 關 DM1M0圖 11.4.5 乘 法 器 數(shù) 據(jù) 處 理 器 電 路4SHIFT SHIFT操 作 表 狀 態(tài) 變 量 表控 制 信號 操 作 狀 態(tài)變 量

18、定 義CLR A0,CNT0 S1 MFADD AA+M S2 QrSHIFT ASR(A) QSR(A r,Q)CNTCNT+1 S3 CNT=3 表 11.4.6 74163功 能 表CR LD P T CP 功 能0 清 01 0 并 入1 1 0 保 持1 1 0 保 持1 1 1 1 計 數(shù) S3 s1 圖 11.4.6 用 每 態(tài) 一 個 觸 發(fā) 器 的 乘 法 控 制 器 邏 輯 圖 S1S2SHIFT1000T0T1T2 1 1001100CLRADDS3 圖 11.4.4 乘 法 器 的 ASM圖 D0=T0S1+T2S3D1=T0S1+T2S3D2=T1S2+ T1S2 =

19、T1CLR= T0S1ADD= T1S2SHIFT=T2 圖 11.4.7 利 用 數(shù) 據(jù) 選 擇 器 和 譯 碼 器 的 控 制 邏 輯 框 圖數(shù)據(jù)選擇器 寄存器 譯碼器1X D Q T 表 11.4.7 乘 法 器 狀 態(tài) 轉 移 表現(xiàn) 態(tài) 輸 入 次 態(tài) 輸 出Q2 Q1 S1 S2 S3 Q2 Q1T0 0 0 0 0 00 0 1 0 1 CLRT1 0 1 0 1 00 1 1 1 0 ADDT2 1 0 0 0 1 SHIFT1 0 1 0 0S1S2SHIFT1000 T0T1T2 1 10011 00CLRADD S3圖 11.4.4 乘 法 器 的 ASM圖 0 10 0

20、11 0 Q2Q1(a) Q2次 態(tài) 圖 0 10 S1 01 S3 Q2Q1(b) Q1次 態(tài) 圖 圖 11.4.8 次 態(tài) 圖0 10 0 11 0 Q2Q1(a) Q2次 態(tài) 圖 0 10 S1 01 S3 Q2Q1(b) Q1次 態(tài) 圖 圖 11.4.9 用 數(shù) 據(jù) 選 擇 器 和 譯 碼 器 實 現(xiàn) 的 乘 法 控 制 器 邏 輯 圖S1S3 SHIFTT20 10 0 11 0 Q2Q1(a) Q2次 態(tài) 圖0 10 S1 01 S3 Q2Q1(b) Q1次 態(tài) 圖對 D1 ， Q2 Q1(A1A0)=00,01,10時 ， D1分 別 為 S1， 0， S3，對 D2 ， Q2

21、Q1(A1A0)=00,01,10時 ， D2分 別 為 0， 1， 0， CLR= T0S1ADD= T1S2SHIFT=T2 圖 11.4.10 PLA控 制 器 一 般 結 構 框 圖PLA寄存器 輸入 輸出 圖 11.4.11 乘 法 器 的 PLA控 制 器PLAQ1S3S2S1 D2Q2 D1 T2(SHIFT)T1T0ADDCLR 現(xiàn) 態(tài) 輸 入 次 態(tài) 輸 出Q2 Q1 S1 S2 S3 Q2 Q1 T0 T1 T2(SHIFT) CLR ADDT0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 00 0 1 0 1 1 0 0 1 0T1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 00 1

22、1 1 0 0 1 0 0 1T 2 1 0 0 0 1 0 0 1 0 01 0 1 0 0 0 0 1 0 0 圖 11.4.8 乘 法 器 狀 態(tài) 轉 移 表 圖 11.4.9 PLA編 碼 表乘積項 輸 入 輸 出Q2 Q1 S1 S2 S3 D2 D1 T0 T1 T2(SHIFT) CLR ADDP1 0 0 0 - - - - 1 - - - -P2 0 0 1 - - - 1 1 - - 1 -P3 0 1 - 0 - 1 - - 1 - - -P 4 0 1 - 1 - 1 - - 1 - - 1P5 1 0 - - 0 - 1 - - 1 - -P6 1 0 - - 1 -

23、 - - - 1 - - 第 五 節(jié) PLD在 數(shù) 字 系 統(tǒng)設 計 中 的 應 用 (1)減 小 系 統(tǒng) 的 硬 件 規(guī) 模 ；(2)提 高 系 統(tǒng) 的 可 靠 性 ；(3)提 高 系 統(tǒng) 的 工 作 速 度 ；一 、 使 用 PLD器 件 的 優(yōu) 點 (6)降 低 設 計 成 本 ；(7)增 加 系 統(tǒng) 的 保 密 性 能 。(4)提 高 系 統(tǒng) 的 靈 活 性 ；(5)縮 短 設 計 周 期 ； (3)公 路 上 無 車 ， 或 有 車 ， 且 公 路 通 車 時 間 超 過最 長 時 間 ， 則 主 干 道 交 通 燈 由 紅 綠 ， 公 路交 通 燈 由 綠 黃 紅 ；二 、 用 G

24、AL實 現(xiàn) 數(shù) 字 系 統(tǒng)例 ： 用 GAL16V8實 現(xiàn) 交 通 燈 管 理 系 統(tǒng) 。 功 能 如 下 ：(1)公 路 上 無 車 時 ， 主 干 道 綠 燈 亮 ,公 路 紅 燈 亮 ；(2)公 路 上 有 車 時 ， 傳 感 器 輸 出 C=1， 且 主 干 道通 車 時 間 超 過 最 短 時 間 ， 主 干 道 交 通 燈 由 綠 黃 紅 ， 公 路 交 通 燈 由 紅 綠 ； 一 、 系 統(tǒng) 級 設 計 1.系 統(tǒng) 初 始 結 構 圖 及 細 化 結 構 圖2.ASM圖二 、 子 系 統(tǒng) 級 、 部 件 級 、 元 件 級 設 計 根 據(jù) ASM圖 ， 用 HDL語 言 （ 如

25、VHDL語 言 ） 描述 控 制 器 、 處 理 器 的 邏 輯 功 能 ； 用 71163實現(xiàn) 定 時 器 。 圖 11.5.1 十 字 路 口 交 通 燈 和 傳 感 器 示 意 圖主 干 道 鄉(xiāng) 間公 路 圖 11.5.2 系 統(tǒng) 初 始 結 構 框 圖控 制 器定 時 器 TCEF EFS 處 理 器 HGHYHRFGFYFRS T 圖 11.5.3 交 通 燈 管理 系 統(tǒng)ASM圖HG FRCESHY FRF SHR FGE CS SHR FYFST0 T2T1 T300 1001 1101 01 01 01 01 0 1 圖 11.5.5 系 統(tǒng) 細 化 結 構 框 圖GAL16V

26、8CKCECLR HGFGNDVCC HYOEHRFGFYFRS定 時 器CKSCLR EF 5V CLR 74163A B C DCRTP LDQ2 SQ3Q1Q0 CK(秒 脈 沖 ）QCC& EF定 時 電 路 圖 圖 11.5.1 系 統(tǒng) 狀 態(tài) 含 義 表狀 態(tài) 代 碼HG HY HR FG FY FRT0 1 0 0 0 0 1T1 0 1 0 0 0 1T2 0 0 1 1 0 0T 3 0 0 1 0 1 0 例 設 電 路 的 輸 入 為 X， 輸 出 為 Z， 當 X在 連 續(xù) 的四 個 時 鐘 周 期 內(nèi) 輸 入 全 “ 0” 或 全 “ 1” 時 ，輸 出 為 “ 1” ， 否 則 輸 出 為 “ 0” ， 試 畫 出 該電 路 的 ASM圖 。 Z=0XT1T0 01 T4XT2 01 XT3 01 X 01Z1 XT5 1 0XT6 1 0X 1 0Z1 作 業(yè) 題10.5