第八章数字系统设计 Digital System design 组合逻辑电路和时序逻辑电路只能完成某些特定的 逻辑功能,属功能部件级。电路分析和设计是建立在真 值表、卡诺图、逻辑方程式、状态表和状态图的工具基 础上,主要依赖于设计者的的熟练技巧和经验,称“凑 试法”。 若由功能部件级组成一个功能复杂、规模较大的数 字系统时,虽然在理论上仍可以把它看成是一个大型时 序逻辑电路,仍可以采用凑试法,但实际实现上很难、 甚至无法达到完整地描述其逻辑功能。因为这种设计方 法:原始、受限制最多、效率与效果均欠佳、局限性大 要用方框图、定时图、逻辑流程图、ASM图等系统描述 工具
第八章 数字系统设计 Digital System Design 组合逻辑电路和时序逻辑电路只能完成某些特定的 逻辑功能，属功能部件级。电路分析和设计是建立在真 值表、卡诺图、逻辑方程式、状态表和状态图的工具基 础上，主要依赖于设计者的的熟练技巧和经验，称“凑 试法” 。 若由功能部件级组成一个功能复杂、规模较大的数 字系统时，虽然在理论上仍可以把它看成是一个大型时 序逻辑电路，仍可以采用凑试法，但实际实现上很难、 甚至无法达到完整地描述其逻辑功能。因为这种设计方 法：原始、受限制最多、效率与效果均欠佳、局限性大。 要用方框图、定时图、逻辑流程图、ASM图等系统描述 工具
对数字系统进行分析和设计时,通常把系统从逻辑 上划分成控制单元CU和信息处理单元两大部分。其中: 信息处理单元对信息进行不同的处理和传递, 控制单元保证信息处理单元按规定的微操作序列处 理数据 控制单元—不断生成和发送控制信号序列,控制信息 处理单元不断地执行特定的操作; 接收来自信息处理单元的状态信息,用以 选择下一个需执行的操作 接收外来的控制信息,用以改变正在执行 的操作序列。 控制单元是区别数字系统与功能部件的标志
对数字系统进行分析和设计时，通常把系统从逻辑 上划分成控制单元CU和信息处理单元两大部分。其中： 信息处理单元对信息进行不同的处理和传递， 控制单元保证信息处理单元按规定的微操作序列处 理数据。 控制单元——不断生成和发送控制信号序列，控制信息 处理单元不断地执行特定的操作； ——接收来自信息处理单元的状态信息，用以 选择下一个需执行的操作。 ——接收外来的控制信息，用以改变正在执行 的操作序列。 控制单元是区别数字系统与功能部件的标志
81数字系统的基本模型 控制流 外部输入的 输入 控制 输出 外部输出的 控制信号 接口 单元 接口 控制信号 控 时钟 制信号 状态信号 输入信息=→输入信息处 接口 理单元 输出→输出信息 接口 数据流 数字逻辑 系统
8.1 数字系统的基本模型 输入 接口 输入信息 外部输入的 控制信号 输入 接口 外部输出的 控制信号 输出 接口 输出 输出信息 接口 控制 单元 控 制 信 号 状 态 信 号 控制流 数据流 数字逻辑 系统 信息处 理单元 时钟
811信息处理单元的构成 通用寄存器 内部寄存器组 专用寄存器 Q1 存储器 T 数据通路: 总线结构 Q 专用线 输入信息 组合逻辑网络 输出信息 控制网络 有P位,表示 有R位,表 状态信息 控制信号 可执行的P种 示执行时的 基本操作 传送脉冲 R种状态 且可并行 或互斥
8.1.1 信息处理单元的构成 状态信息 S 控制网络 τ1 ••• τm τ 传送脉冲 控制信号 C Q1 τ1 内部寄存器组 通用寄存器 专用寄存器 存储器 数据通路： 总线结构 专用线 ••• x1 xk 输入信息 ••• z1 zk 组合逻辑网络 输出信息 有P位，表示 可执行的P种 基本操作， 且可并行、 或互斥 有 R位，表 示执行时的 R 种状态 Qm τm
8.12控制单元CU的构成 将数字系统执行的复杂任务转化成一个操作和测试序 列,称为“算法”。 用控制单元产生与操作序列相对应的控制信号序列, 每一个控制信号控制信息处理单元执行与算法相关的一个 操作。所以,控制单元的基本功能具体上是对指令流和数 据流实施时间上和空间上的正确的控制 外部输入 组合逻辑网络 外部输出 控制信息 控制信息 算法的现态 Q状态算法的次态 寄存器
8.1.2 控制单元CU的构成 将数字系统执行的复杂任务转化成一个操作和测试序 列，称为“算法”。 用控制单元产生与操作序列相对应的控制信号序列， 每一个控制信号控制信息处理单元执行与算法相关的一个 操作。所以，控制单元的基本功能具体上是对指令流和数 据流实施时间上和空间上的正确的控制。 组合逻辑网络 Q 状态 寄存器 算法的现态 算法的次态 外部输入 控制信息 外部输出 控制信息 S C τ y Y
81.2控制单元CU的构成 控制单元的核心是时序电路,本质上是一个状态寄存 器。状态寄存器主要有两个功能寄存控制单元的现态, 生成次态。采用触发器作为状态寄存器的元件。 存在着两种不同的控制单元实现方法: 硬件逻辑方法——用逻辑电路生成每一个微操作的控 制信号;特点:速度高、动一发而动全身。 微程序方法——计算机的每一条指令的功能通过执行 个微指令序列(微程序)来实现的。设计好的微程序被固 化在只读存储器中,这个存储器称为控制存储器。特点: 速度低、但设计、修改及扩充容易。 显然,采用不同的实现方法,将影响控制单元的组成 和结构。在现代计算机控制器中,常常两者混用
8.1.2 控制单元CU的构成 控制单元的核心是时序电路，本质上是一个状态寄存 器。状态寄存器主要有两个功能——寄存控制单元的现态， 生成次态。采用触发器作为状态寄存器的元件。 存在着两种不同的控制单元实现方法： 硬件逻辑方法——用逻辑电路生成每一个微操作的控 制信号；特点：速度高、动一发而动全身。 微程序方法——计算机的每一条指令的功能通过执行 一个微指令序列(微程序)来实现的。设计好的微程序被固 化在只读存储器中，这个存储器称为控制存储器。特点： 速度低、但设计、修改及扩充容易。 显然，采用不同的实现方法，将影响控制单元的组成 和结构。在现代计算机控制器中，常常两者混用
数字系统逻辑设计的基本步骤 第一步:确定系统的逻辑功能。 设计者应对系统仔细分析、消化和理解,逐步明确其逻辑 功能,输入、输出信号等内容。 第二步:确定系统方案。 这是设计工作中最困难、最有创造性的工作,设计者根据 设计要求分析、推演出信息处理的基本原理和可供选择的结构 形式,因为可以采用不同的原理和方法实现某一逻辑功能。为 此设计者要进行认真的比较和权衡,从中选取较为满意的方案 第三步:对系统进行逻辑划分 将系统按信息处理单元和控制单元划分为两大部分,列出 信息处理单元的说明,并用流程图等方法描述信息处理的算法 (即控制单元的逻辑要求)。每个部分应具备基本独立的逻辑 功能。逻辑划分和确定系统方案的过程要同时进行、相辅相成
数字系统逻辑设计的基本步骤 第一步：确定系统的逻辑功能。 设计者应对系统仔细分析、消化和理解，逐步明确其逻辑 功能，输入、输出信号等内容。 第二步：确定系统方案。 这是设计工作中最困难、最有创造性的工作，设计者根据 设计要求分析、推演出信息处理的基本原理和可供选择的结构 形式，因为可以采用不同的原理和方法实现某一逻辑功能。为 此设计者要进行认真的比较和权衡，从中选取较为满意的方案。 第三步：对系统进行逻辑划分。 将系统按信息处理单元和控制单元划分为两大部分，列出 信息处理单元的说明，并用流程图等方法描述信息处理的算法 （即控制单元的逻辑要求）。每个部分应具备基本独立的逻辑 功能。逻辑划分和确定系统方案的过程要同时进行、相辅相成
数字系统设计的基本步骤 第四步:设计信息处理单元和控制单元 定义要求信息处理单元必须执行的处理和操作,列出操作表; 提出实现的算法,确定控制单元必须保存的、或产生的状态 及状态之间的转换关系; 由系统的控制状态、信息处理单元产生的状态信息和要求生 成的控制信号建立控制单元的状态转换表; 根据信息处理单元的操作表和状态信息、控制单元的状态转 换表,进行逻辑设计。 选择逻辑功能部件,如SSⅠ、MSI、LSI等,进行合理连接, 构成严格能协调工作的系统
数字系统设计的基本步骤 第四步：设计信息处理单元和控制单元。 • 定义要求信息处理单元必须执行的处理和操作，列出操作表； • 提出实现的算法，确定控制单元必须保存的、或产生的状态 及状态之间的转换关系； • 由系统的控制状态、信息处理单元产生的状态信息和要求生 成的控制信号建立控制单元的状态转换表； • 根据信息处理单元的操作表和状态信息、 控制单元的状态转 换表，进行逻辑设计 。 • 选择逻辑功能部件，如SSI、MSI、LSI等，进行合理连接， 构成严格能协调工作的系统
8.2数字系统设计的描述工具 82.1方框图 设计系统首先应当建立模型,方框图是描述模型最常用 最重要的工具 方框图不涉及过多的技术细节,直观易懂,具有 结构化设计—系统结构清晰和易理解性,易构思设计等 在方框图中, 每一个方框定义了一个信息处理、存储或传递的子系统 或模块) 方框内用文字、表达式、例行符号、图形表示该模块的名 称或主要功能; 方框之间用指向线相连,表示模块之间的数据流或信息流 的信息通道及方向,连线旁的文字或符号是通道的名称、功能 或信息类型。 方框图的设计过程:自顶而下、逐步细化
8.2 数字系统设计的描述工具 8.2.1 方框图 设计系统首先应当建立模型，方框图是描述模型最常用、 最重要的工具。 方框图不涉及过多的技术细节，直观易懂，具有： 结构化设计——系统结构清晰和易理解性，易构思设计等 在方框图中， • 每一个方框定义了一个信息处理、存储或传递的子系统 （或模块）； • 方框内用文字、表达式、例行符号、图形表示该模块的名 称或主要功能； • 方框之间用指向线相连，表示模块之间的数据流或信息流 的信息通道及方向，连线旁的文字或符号是通道的名称、功能 或信息类型。 方框图的设计过程：自顶而下、逐步细化
例一个智能仪表的方框图 数据 入/氵输分解输入数据数据]输出显示 系 采集「处理 数据 C 打印 控制器 输入输出接口 (b) 再分解 A寄存器M寄存器 细化 数据 ALl 输入[数据数据输出 显示 采集 处理 数据 C C 打印 控制器
例 一个智能仪表的方框图。 系 统 输 ••• ••• 入 输 出 (a) 数据 采集 数据 处理 数据 显示 数据 打印 控制器 输入 输出 (c) C C (b) 数据 采集 数据 处理 数据 显示 数据 打印 控制器 输入 输出 C C 输入/输出接口 A寄存器 M寄存器 ALU C C C C (d) 分解 再分解 细化