第七章数字系统 7.1引言 用状态表的方法设计大型复杂的数字系统 (有时甚至是简单的数字逻辑问题)是十分困难 的,甚至是不可能的。原因是状态数大的惊人。 例:设计一个统计串行输入中1的个数电 路 输入序列X→含1统计电路→z统计结果 输入X0--Xn。无论用按收到序列(2个 状态)和已包含1的个数(n+1状态)规定状 态,状态表十分庞大。 解决办法:利用模块化和层次化设计,将系 统分隔为完成特定功能的子模块,再通过数据和 控制信号对各子系统互联,构造完成预定功能的 数字系统。 例 N=15 开始 计数器A 控制器 CP CRL 计数器B 结束
第七章 数字系统 7．1 引言 用状态表的方法设计大型复杂的数字系统 （有时甚至是简单的数字逻辑问题）是十分困难 的，甚至是不可能的。原因是状态数大的惊人。 例：设计一个统计串行输入中 1 的个数电 路。 输入 X0――Xn。无论用按收到序列（2 n 个 状态）和已包含 1 的个数（n＋1 状态）规定状 态，状态表十分庞大。 解决办法：利用模块化和层次化设计，将系 统分隔为完成特定功能的子模块，再通过数据和 控制信号对各子系统互联，构造完成预定功能的 数字系统。 例： 输入序列 X 含 1统计电路 Z 统计结果 计数器 A 计数器 B 控制器 Z 开始 X 结束 CP C1 CR C2 2 N＝15
数字系统的构成 控制信号 状态信号 控制输入 控制 处理数据输出 单元 单元 控制输出数据输入 处理单元,也称数据通道( datapaths):执 行数据处理操作。 控制单元:决定数据处理单元数据处理操作 的序列。 数据通道和微操作 数据通道被其含有的寄存器和存储其内的 二进数据的操作所确定。 寄存器是构成数字系统的基本成分。其操作 如移位、计数、清除、加载等。对寄存器中的数 据的移动和处理称为寄存器传输操作( register transfer operation)。 寄存器传输操作也被称为微操作 ( microoperation)。其构成三要素:一套寄存器;
数字系统的构成： 处理单元，也称数据通道（datapaths）：执 行数据处理操作。 控制单元：决定数据处理单元数据处理操作 的序列。 数据通道和微操作 数据通道被其含有的寄存器和存储其内的 二进数据的操作所确定。 寄存器是构成数字系统的基本成分。其操作 如移位、计数、清除、加载等。对寄存器中的数 据的移动和处理称为寄存器传输操作（register transfer operation）。 寄 存 器 传 输 操 作 也 被 称 为 微 操 作 （microopertion）。其构成三要素：一套寄存器； 控制 状态信号 单元 处理 单元 控制信号 控制输出 数据输入 数据输出 ÷出 控制输入
其所执行的操作;操作的控制。 控制单元提供控制微操作序列的控制信号。 当前操作的结果参与确定微操作的序列。 7.2寄存器传输操作 寄存器命名: AR:地址寄存器。 PG:程序计数器。 IR:指令寄存器。 R2:2号寄存器。 寄存器传输:R2←R1 R2:目的寄存器。 R1:源寄存器。 条件传输:K1:R2←R1 LOAD R1 R1 CLOCK 7.3微操作
其所执行的操作；操作的控制。 控制单元提供控制微操作序列的控制信号。 当前操作的结果参与确定微操作的序列。 7．2 寄存器传输操作 寄存器命名： AR：地址寄存器。 PC：程序计数器。 IR：指令寄存器。 R2：2 号寄存器。 寄存器传输： R2 R1 R2：目的寄存器。 R1：源寄存器。 条件传输： K1：R2 R1 7．3 微操作 R1 R1 K1 CLOCK LOAD
1.传输。2.算术。3.逻辑。4.移位。 算术操作:XK1:R1R1+R2 XK1:R1←R1+R2+ R2 n 加减器 RI K 逻辑操作:RI←RH+R2 移位操作:R0←SrR0 R←slR2 7.4基于多路选择器、总线、三态总线 的传输 K1:R0←R1,K1K2:R0←R2 K2 R2 s Mux R1
1. 传输。2.算术。3.逻辑。4.移位。 算术操作： XK1：R1 R1＋R2 XK1：R1 R1＋R2＋1 逻辑操作： R1 R1＋R2 移位操作： R0 sr R0 R1 sl R2 7． 4 基于多路选择器、总线、三态总线 的传输 K1:R0 R1 ，K1 K2：R0 R2 n n n X K1 加减器 R2 R1 S S R1 R2 R0 Load Mux K1 K2
存储器传输:Read:DR←M【A2】 Write:M【AR←DR 7.5数据通道 为提高效率和通用性,采用一组寄存器 ( register file)并共享一高性能操作单元(算 术逻辑单元AU( ar i thetic/ logic unit)) 数据通道构成: Write d data DA D address Registere file A address B address b dat Constant in MUX MB MB Address out Data out FS FS Function Unit Dat MUX
存储器传输： Read：DR M【A2】 Write：M【AR】 DR 7．5 数据通道 为提高效率和通用性，采用一组寄存器 （register file）并共享一高性能操作单元(算 术逻辑单元 ALU （arithmetic/logic unit）)。 数据通道构成： MD A address Registere file MUX Function Unit MUX Write D address D data B address Data In A data B data MB FS Constant in Address out Data out AA BA DA RW MD FS MB
源寄存器的内容经ALU操作,结果送至目 的寄存器。在一个时钟周期内完成。 7. ALU 组合电路。根据功能选择执行算术逻辑运 算,并给出状态指示。 7.7控制字 数据通道的选择变量控制了在任何一个时 钟周期中数据通道执行的微操作,称其为控制 今° 161514131211109876543210 AA R1 R3 F=A+B+1 001 010 00101 R1←R2+R3+1 7.8流水数据通道 (pipel ined datapath)
源寄存器的内容经 ALU 操作，结果送至目 的寄存器。在一个时钟周期内完成。 7．6 ALU 组合电路。根据功能选择执行算术逻辑运 算，并给出状态指示。 7．7 控制字 数据通道的选择变量控制了在任何一个时 钟周期中数据通道执行的微操作，称其为控制 字。 例： 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 R1 R2 R3 R F=A+B+1 F W 001 010 011 0 00101 0 1 R1 R2+R3+1 7.8 流水数据通道 （pipelined datapath） DA AA BA MB FS MD RW
比传统结构更快。 7.9控制单元 数据通道由控制信号指挥完成数据处理任 务,控制单元负责按某种序列提供控制信号,以 完成特定任务。 数字系统所要实现的特定功能都可以归结 为一系列的寄存器的传输操作,因此,数字设计 中最具挑战和创造性的工作是为达到所需目的 找到硬件算法的公式化方法,以完成数据通道和 控制单元的设计。 这个方法称为算法状态机(ASM一 a lgor ithmic state machines)。其类似流程图, 由其可导出所需的寄存器的传输操作及操作序 列,并进一步导出控制单元所需产生的状态表, 作为控制单元的设计基础。 例:前例1的个数统计电路。 开始 接收下一位信号 当前位为1? 统计数加1 序列结束?
比传统结构更快。 7．9 控制单元 数据通道由控制信号指挥完成数据处理任 务，控制单元负责按某种序列提供控制信号，以 完成特定任务。 数字系统所要实现的特定功能都可以归结 为一系列的寄存器的传输操作，因此，数字设计 中最具挑战和创造性的工作是为达到所需目的 找到硬件算法的公式化方法，以完成数据通道和 控制单元的设计。 这 个 方 法 称 为 算 法 状 态 机 （ ASM — algorithmic state machines）。其类似流程图， 由其可导出所需的寄存器的传输操作及操作序 列，并进一步导出控制单元所需产生的状态表， 作为控制单元的设计基础。 例：前例 1 的个数统计电路。 开始 统计数加 1 当前位为 1？ 序列结束？ 接收下一位信号 N N Y Y
微程序控制器 提供给数据通道的操作信号序列可设计硬件控 制单元产生,也可存储于ROM中,并附加辅助电 路来产生。后一种方法称微程序控制。 控制输入 来自数据通道状态信号 序列器 控制地址 ROM 下地址信息去数据通道控制信号 7.10微处理器 将高性能的数据通道和控制单元集成一体 称为中央处理单元,简称cPU( Central Processing Unit)
微程序控制器 提供给数据通道的操作信号序列可设计硬件控 制单元产生，也可存储于 ROM 中，并附加辅助电 路来产生。后一种方法称微程序控制。 7.10 微处理器 将高性能的数据通道和控制单元集成一体 称 为 中 央 处 理 单 元 ， 简 称 CPU （ Central Processing Unit）。 控制地址 来自数据通道状态信号 控制输入 下地址信息 去数据通道控制信号 ROM 序列器
各种微处理器具有不同性能 与之相配的规范化操作控制产生了指令和 指令集。对指令的使用开发产生了软件。 7.11微处理器的发展 微处理器发展 通用微机 单片机 数字信号处理器 微机:将CPU配以存储器,并设置通用总线 和10接口,经10接口连接各种外部设备发展为 通用计算机。 单片机:为适应中小控制系统的需要,将简 单的cPU和少量的ROM、RAM及0接口集成于
各种微处理器具有不同性能。 与之相配的规范化操作控制产生了指令和 指令集。对指令的使用开发产生了软件。 7．11 微处理器的发展 微机：将 CPU 配以存储器，并设置通用总线 和 IO 接口，经 IO 接口连接各种外部设备发展为 通用计算机。 单片机：为适应中小控制系统的需要，将简 单 的 CPU 和少量的 ROM、RAM 及 IO 接口集成于 微处理器发展 通 用 微 机 数 字 信 号 处 理 器 单 片 机
片芯片中。 DSP:专用于高速数值处理
一片芯片中。 DSP：专用于高速数值处理