數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)-1

1、1第二章第二章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法v2.1 數(shù)字系統(tǒng)的基本概念數(shù)字系統(tǒng)的基本概念 2.1.1 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 2.1.2 數(shù)字系統(tǒng)的基本模型數(shù)字系統(tǒng)的基本模型v2.2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 2.2.1 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟 2.2.2 多級(jí)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)多級(jí)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)2v2.3 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論 2.3.1 自上而下的設(shè)計(jì)方法自上而下的設(shè)計(jì)方法 2.3.2 自下而上的設(shè)計(jì)方法自下而上的設(shè)計(jì)方法 2.3.3 自關(guān)鍵部件開始設(shè)計(jì)自關(guān)鍵部件開始設(shè)計(jì) 2.3.4 系統(tǒng)信息流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)信息流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

2、v2.4 數(shù)字系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)及算法的結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)及算法的結(jié)構(gòu) 2.4.1 算法的設(shè)計(jì)算法的設(shè)計(jì) 2.4.2 算法的結(jié)構(gòu)算法的結(jié)構(gòu)3定義：交互式的，以離散形式表示的具有存儲(chǔ)、傳輸、信息定義：交互式的，以離散形式表示的具有存儲(chǔ)、傳輸、信息處理能力的邏輯子系統(tǒng)的集合。處理能力的邏輯子系統(tǒng)的集合。2、數(shù)字系統(tǒng)的基本概念、數(shù)字系統(tǒng)的基本概念模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)0 10 1獨(dú)立的實(shí)用裝置獨(dú)立的實(shí)用裝置具有特定功能的邏輯部件具有特定功能的邏輯部件數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)4人機(jī)交互人機(jī)交互不同邏輯功能塊的協(xié)調(diào)工作不同邏輯功能塊的協(xié)調(diào)工作控制控制 有無控制部件往往作為區(qū)分?jǐn)?shù)字系統(tǒng)與邏輯功能塊的有無

3、控制部件往往作為區(qū)分?jǐn)?shù)字系統(tǒng)與邏輯功能塊的重要標(biāo)志重要標(biāo)志模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng) 數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)A/DD/A數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)A 0 1 0 1A5數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：1、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性：降低了對(duì)元件降低了對(duì)元件參數(shù)的要求。參數(shù)的要求。0：低電平：低電平1：高電平：高電平穩(wěn)定性提高2、精確性、精確性3、可靠性、可靠性信息冗余、硬件冗余技術(shù)的應(yīng)用信息冗余、硬件冗余技術(shù)的應(yīng)用4、模塊化、模塊化6數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理單元控制單元控制單元代處理數(shù)據(jù)輸入代處理數(shù)據(jù)輸入處理后數(shù)據(jù)輸出處理后數(shù)據(jù)輸出控制序列信號(hào)控制序列信號(hào)反饋應(yīng)答信號(hào)反饋應(yīng)答信號(hào)外輸入控制信號(hào)外輸入控制信號(hào)控制信號(hào)輸出控制信號(hào)輸出CL

4、K控控 制制 流流數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 流流2.1.1 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)可劃分成兩個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理器和控制器數(shù)字系統(tǒng)可劃分成兩個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)處理器和控制器(見圖見圖)o72.1.2 數(shù)字系統(tǒng)的基本模型數(shù)字系統(tǒng)的基本模型動(dòng)態(tài)模型動(dòng)態(tài)模型 算法模型算法模型1、數(shù)字系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型、數(shù)字系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型傳統(tǒng)的描述方法建立的系統(tǒng)模型傳統(tǒng)的描述方法建立的系統(tǒng)模型真值表真值表卡諾圖卡諾圖邏輯方程邏輯方程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖/表表狀態(tài)方程狀態(tài)方程時(shí)序圖時(shí)序圖8例例1、舉重比賽裁判控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型、舉重比賽裁判控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型A、B、C三位裁判，只有兩人以上，且兩人中必須包含主裁判，三位裁判，只有

5、兩人以上，且兩人中必須包含主裁判，表示成功，同時(shí)綠燈表示成功，同時(shí)綠燈G亮，否則紅燈亮，否則紅燈R亮。亮。第一步：列出系統(tǒng)真值表第一步：列出系統(tǒng)真值表ABCGR0000100101010010110110001101101101011110第二步：作卡諾圖第二步：作卡諾圖10101000ABCG第三步：寫出邏輯函數(shù)第三步：寫出邏輯函數(shù)G=AB+ACR=G9例例2、串行輸入序列變化檢測(cè)系統(tǒng)、串行輸入序列變化檢測(cè)系統(tǒng) 有一連續(xù)串行輸入序列有一連續(xù)串行輸入序列X，當(dāng)，當(dāng)X發(fā)生發(fā)生01或或10 時(shí)，系時(shí)，系統(tǒng)輸出統(tǒng)輸出Z=1，否則，否則Z=0。兩種狀態(tài)兩種狀態(tài)S0 系統(tǒng)剛收到系統(tǒng)剛收到1個(gè)個(gè)0S1 系

6、統(tǒng)剛收到系統(tǒng)剛收到1個(gè)個(gè)1狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖/狀態(tài)裝換表狀態(tài)裝換表 S0S10/01/10/11/0SiX/Z現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài)Si當(dāng)前輸入當(dāng)前輸入01S0S0/0 S1/1S1S0/1 S1/010選擇觸發(fā)器選擇觸發(fā)器-D觸發(fā)器觸發(fā)器列出真值表列出真值表Q1nQ0nXZ/Q1n+1D0D1000000001111010101011010100000101111110101111010寫出驅(qū)動(dòng)方程：寫出驅(qū)動(dòng)方程：D0=XD1=Q0n X1112例例3、某系統(tǒng)、某系統(tǒng)DS有兩個(gè)串行輸入端有兩個(gè)串行輸入端X1和和X0，它們的輸入取值，它們的輸入取值為為00（表示（表示0）、）、01（表示（表示1）、）、1

7、0（表示（表示2）。還有一個(gè)取值）。還有一個(gè)取值位位0、1的串行輸出端的串行輸出端Z。該輸出函數(shù)定義為：。該輸出函數(shù)定義為：01)(tZ若輸入序列有偶數(shù)個(gè)若輸入序列有偶數(shù)個(gè)2、奇數(shù)個(gè)、奇數(shù)個(gè)1其余情況其余情況 試建立其動(dòng)態(tài)模型。試建立其動(dòng)態(tài)模型。S0：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個(gè)：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個(gè)1和奇數(shù)個(gè)和奇數(shù)個(gè)2S1：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個(gè)：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個(gè)1和奇數(shù)個(gè)和奇數(shù)個(gè)2S2：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個(gè)：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個(gè)1和偶數(shù)個(gè)和偶數(shù)個(gè)2S3：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個(gè)：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個(gè)1和偶數(shù)個(gè)和偶數(shù)個(gè)213S2S1S0S301/001/010/010/001/001/100/000/000/110/010/100/

8、0S0：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個(gè)：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個(gè)1和奇數(shù)個(gè)和奇數(shù)個(gè)2S1：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個(gè)：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個(gè)1和奇數(shù)個(gè)和奇數(shù)個(gè)2S0：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個(gè)：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個(gè)1和偶數(shù)個(gè)和偶數(shù)個(gè)2S3：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個(gè)：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個(gè)1和偶數(shù)個(gè)和偶數(shù)個(gè)2S2/1S3/0S0/0S1/0S1/0S0/0S3/0S2/1S1/0S2/1S3/0S0/000 01 10S0S1S2S314傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：組合電路：組合電路：系統(tǒng)要求系統(tǒng)要求真值表真值表/卡諾圖卡諾圖邏輯方程邏輯方程系統(tǒng)電路系統(tǒng)電路時(shí)序電路：時(shí)序電路：系統(tǒng)要求系統(tǒng)要求狀態(tài)圖狀態(tài)圖/表表驅(qū)動(dòng)方程驅(qū)動(dòng)方程系統(tǒng)電路系統(tǒng)電

9、路152、數(shù)字系統(tǒng)的算法模型、數(shù)字系統(tǒng)的算法模型基本思想基本思想：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能完成某個(gè)算法完成某個(gè)算法具體方法：具體方法：復(fù)雜的運(yùn)算復(fù)雜的運(yùn)算子運(yùn)算子運(yùn)算1子運(yùn)算子運(yùn)算2子運(yùn)算子運(yùn)算N子運(yùn)算子運(yùn)算1-1子運(yùn)算子運(yùn)算1-216數(shù)字系統(tǒng)算法模型的特征：數(shù)字系統(tǒng)算法模型的特征：（1）、包含若干個(gè)子運(yùn)算）、包含若干個(gè)子運(yùn)算（2）、具有相應(yīng)的控制序列）、具有相應(yīng)的控制序列例、串行輸入序列例、串行輸入序列變化檢測(cè)變化檢測(cè)系統(tǒng)的算法模型系統(tǒng)的算法模型開始開始i=0，Z=0R1X（i）R2R1i=i+1R1X（i）比較比較R1、R2R1=R2？Z=1YZ=0NMAX17例、試求導(dǎo)從例、試求導(dǎo)從

10、m個(gè)個(gè)n位的二進(jìn)制數(shù)中找出最大和最小值系統(tǒng)位的二進(jìn)制數(shù)中找出最大和最小值系統(tǒng)的算法模型的算法模型第一步：確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需模塊或要進(jìn)行的基本操作（子運(yùn)算）第一步：確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需模塊或要進(jìn)行的基本操作（子運(yùn)算）模塊：模塊： 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（mn）、最大值存儲(chǔ)器）、最大值存儲(chǔ)器MAX（1n） 最小值存儲(chǔ)器最小值存儲(chǔ)器MIN（1n）、三個(gè)寄存器：）、三個(gè)寄存器：TEMP（ 1n）COMP1（1 1）、）、COMP2（1 1）以及）以及1個(gè)計(jì)數(shù)器。個(gè)計(jì)數(shù)器。運(yùn)算：運(yùn)算： 1、設(shè)計(jì)數(shù)器初值、設(shè)計(jì)數(shù)器初值 SET COUNT 2、讀數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù) READ DATA 3、比較大小、比較大小 COMP

11、 4、數(shù)據(jù)交換。、數(shù)據(jù)交換。 EXCH DATA18開始開始SET COUNTREAD 1STCNT=CNT-1READ NEXTEXCH MAX結(jié)束結(jié)束CNT=0COMP MAXCOMP1=1YNCOMP MINCOMP2=1EXCH MINYNMAX19系統(tǒng)的算法模型系統(tǒng)的算法模型-數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心獲得算法模型需要考慮的主要問題：獲得算法模型需要考慮的主要問題：（1）、如何將系統(tǒng)運(yùn)算劃分為相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系的子運(yùn)算）、如何將系統(tǒng)運(yùn)算劃分為相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系的子運(yùn)算（2）、各子運(yùn)算間信息的流通）、各子運(yùn)算間信息的流通（3）、如何有規(guī)則地控制各子運(yùn)算）、如何有規(guī)則地控制各子

12、運(yùn)算20v2.2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 2.2.1 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常有以下幾個(gè)步驟：數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常有以下幾個(gè)步驟：1、系統(tǒng)邏輯功能的確定、系統(tǒng)邏輯功能的確定2、系統(tǒng)的描述、系統(tǒng)的描述3、算法的設(shè)計(jì)、算法的設(shè)計(jì)4、電路結(jié)構(gòu)的選擇、電路結(jié)構(gòu)的選擇5、電路的實(shí)現(xiàn)、電路的實(shí)現(xiàn)2122例、四位乘法電路的設(shè)計(jì)例、四位乘法電路的設(shè)計(jì)乘法電路乘法電路CAB448M01230123,bbbbBaaaaABAMMAbAbAbAbBA332211002222 1011 1101 1011 0000 1011 +1011 10001111 23ST

13、ARTi=0，M=0i=i+1A左移一位左移一位MA*bi+Mi=3ENDNY24控制器控制器CON=3計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器模模=4MUXANDADDRM移位寄存器移位寄存器CP254位加法器4位加法器4位加法器4位加法器b0AM0M1M2M3M4M5M6M7b1Ab2Ab3A0000 1011 1101 1011 0000 1011 +1011 10001111 262.2.2 多級(jí)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)多級(jí)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)ABCDEFGHI27例、設(shè)計(jì)一個(gè)如圖所示最大公約數(shù)產(chǎn)生電路。圖中例、設(shè)計(jì)一個(gè)如圖所示最大公約數(shù)產(chǎn)生電路。圖中X、Y為為二進(jìn)制正整數(shù)。二進(jìn)制正整數(shù)。GCDXYG算法：算法：GCD（X，Y）=G

14、CD（X-Y，Y） XY12,815,612815684964463334328算法模型：算法模型：開始開始RXXRYYRX= RY結(jié)束結(jié)束RX= RGYRX RYND RY - RXRXDNDRX-RYRYDY29RX RYMRXN RYMRYN RXD=M-ND0MUX2-1D1 SD0MUX2-1D1 SM-N比較器比較器DRXRYMN30RGRYRX大數(shù)減小數(shù)大數(shù)減小數(shù)比較器比較器XYGD31數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4、最優(yōu)化設(shè)計(jì)、最優(yōu)化設(shè)計(jì)3、同步和異步電路、同步和異步電路2、系統(tǒng)的可觀測(cè)性、系統(tǒng)的可觀測(cè)性1、分割準(zhǔn)則、分割準(zhǔn)則用戶需求用戶需求系統(tǒng)功能和系統(tǒng)功能和技術(shù)指標(biāo)

15、技術(shù)指標(biāo)算法算法構(gòu)成系統(tǒng)框圖構(gòu)成系統(tǒng)框圖確定功能模塊確定功能模塊實(shí)現(xiàn)各功能模塊實(shí)現(xiàn)各功能模塊控制器設(shè)計(jì)控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程32v2.3 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論2.3.1 自上而下的設(shè)計(jì)方法自上而下的設(shè)計(jì)方法 自頂向下是指將數(shù)字系統(tǒng)的自頂向下是指將數(shù)字系統(tǒng)的整體逐步分解為各個(gè)子系統(tǒng)和模整體逐步分解為各個(gè)子系統(tǒng)和模塊，若子系統(tǒng)規(guī)模較大，則還需塊，若子系統(tǒng)規(guī)模較大，則還需將子系統(tǒng)進(jìn)一步分解為更小的子將子系統(tǒng)進(jìn)一步分解為更小的子系統(tǒng)和模塊，層層分解，直至整系統(tǒng)和模塊，層層分解，直至整個(gè)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)關(guān)系合理，并個(gè)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)關(guān)系合理，并便于邏輯電路

16、級(jí)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為便于邏輯電路級(jí)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為止。止。 自上而下的設(shè)計(jì)方法是一種自上而下的設(shè)計(jì)方法是一種自頂向下，由抽象定義到具體實(shí)自頂向下，由抽象定義到具體實(shí)現(xiàn)，由高層次到低層次逐步轉(zhuǎn)換，現(xiàn)，由高層次到低層次逐步轉(zhuǎn)換，逐步求精的設(shè)計(jì)方法逐步求精的設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)級(jí)描述系統(tǒng)級(jí)描述算法級(jí)描述算法級(jí)描述功能級(jí)描述功能級(jí)描述邏輯級(jí)描述邏輯級(jí)描述系統(tǒng)級(jí)描述系統(tǒng)級(jí)描述行為級(jí)描述行為級(jí)描述寄存器傳輸級(jí)描述寄存器傳輸級(jí)描述門級(jí)描述門級(jí)描述逐層分解功能逐層分解功能分層次進(jìn)行設(shè)計(jì)分層次進(jìn)行設(shè)計(jì)33優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：模塊化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì) 從上到下逐步由粗略到詳細(xì)，符合常規(guī)的邏輯思維習(xí)慣。從上到下逐步由粗略到詳細(xì)，符合常規(guī)的邏

17、輯思維習(xí)慣。 高層設(shè)計(jì)同器件無關(guān)，設(shè)計(jì)易于在各種集成電路工藝或可高層設(shè)計(jì)同器件無關(guān)，設(shè)計(jì)易于在各種集成電路工藝或可編程器件之間移植。編程器件之間移植。 適合多個(gè)設(shè)汁者同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。用系統(tǒng)工程方法對(duì)設(shè)計(jì)適合多個(gè)設(shè)汁者同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。用系統(tǒng)工程方法對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行合理分配，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行管理。任務(wù)進(jìn)行合理分配，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行管理。易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì) 注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：上級(jí)到下級(jí)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性上級(jí)到下級(jí)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性功能防真功能防真時(shí)序防真時(shí)序防真342.3.2 自下而上的設(shè)計(jì)方法自下而上的設(shè)計(jì)方法從現(xiàn)成的數(shù)字期間或子系統(tǒng)出發(fā)，根據(jù)用戶的需求，對(duì)現(xiàn)有的從現(xiàn)成的數(shù)字期間或子系統(tǒng)出發(fā)，根據(jù)用戶的需求，對(duì)

18、現(xiàn)有的器件或子系統(tǒng)進(jìn)行修改、擴(kuò)大及相互連接，構(gòu)成新的系統(tǒng)。器件或子系統(tǒng)進(jìn)行修改、擴(kuò)大及相互連接，構(gòu)成新的系統(tǒng)。例、用半加器構(gòu)成全加器例、用半加器構(gòu)成全加器HAABCSHAABCSHAABCS1CiSABC i-1 35要求：必須有一定的經(jīng)驗(yàn)要求：必須有一定的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1、設(shè)計(jì)時(shí)間短，設(shè)計(jì)成本低。、設(shè)計(jì)時(shí)間短，設(shè)計(jì)成本低。 2、可以充分利用已有的設(shè)計(jì)成果。、可以充分利用已有的設(shè)計(jì)成果。缺點(diǎn)：很難保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。缺點(diǎn)：很難保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。 自上而下自上而下/自下而上兩種設(shè)計(jì)方法的選擇和組合沒有嚴(yán)自下而上兩種設(shè)計(jì)方法的選擇和組合沒有嚴(yán)格的規(guī)則可以遵循。視需要而定格的規(guī)則可以遵循。視

19、需要而定362.3.3 自關(guān)鍵部件開始設(shè)計(jì)自關(guān)鍵部件開始設(shè)計(jì) 找出待設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，決定整個(gè)系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵找出待設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，決定整個(gè)系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵或核心部件?；蚝诵牟考＠?、設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算電路。例、設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)數(shù)乘法運(yùn)算電路。)()(riiriirririrbabajbabaBAMjbbBjaaA+rarbiaibMRMI這種設(shè)計(jì)方法實(shí)際上是前面這種設(shè)計(jì)方法實(shí)際上是前面兩種方法的結(jié)合和變形。兩種方法的結(jié)合和變形。372.3.4 系統(tǒng)信息流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)信息流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理單元控制單元控制單元待處理數(shù)據(jù)輸入待處理數(shù)據(jù)輸入處理后數(shù)據(jù)輸出處理后數(shù)據(jù)輸出控制序列信號(hào)控制序列信號(hào)

20、反饋應(yīng)答信號(hào)反饋應(yīng)答信號(hào)外輸入控制信號(hào)外輸入控制信號(hào)控制信號(hào)輸出控制信號(hào)輸出CLK控控 制制 流流數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 流流以待處理的數(shù)據(jù)為中心以待處理的數(shù)據(jù)為中心以系統(tǒng)控制過程為中心以系統(tǒng)控制過程為中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)381、系統(tǒng)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 依據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，分析待處理數(shù)據(jù)所需進(jìn)行的變換或依據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，分析待處理數(shù)據(jù)所需進(jìn)行的變換或運(yùn)算以數(shù)據(jù)的流程推動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)行。運(yùn)算以數(shù)據(jù)的流程推動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)行。例、設(shè)計(jì)一如圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖中例、設(shè)計(jì)一如圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖中M1-M8為為8路模擬輸入。路模擬輸入。N1、N2

21、兩路兩路8位數(shù)字量，位數(shù)字量，OUT為系統(tǒng)串行輸出（為系統(tǒng)串行輸出（Ai、N1、N28*3串行組成），每串行組成），每0.1秒輸出一條記錄。秒輸出一條記錄。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)M1M8N1N2OUT1：MiAi A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換2：同時(shí)轉(zhuǎn)換：同時(shí)轉(zhuǎn)換/逐個(gè)轉(zhuǎn)換逐個(gè)轉(zhuǎn)換3：如何有序輸出：如何有序輸出 8位位3選選1 MUX 8位位 并行并行/串行轉(zhuǎn)換串行轉(zhuǎn)換398選選1模擬模擬開關(guān)開關(guān)A/D8位位MUXP/S控制單元控制單元MiMiAiN1N2OUT地址地址控制控制數(shù)字采集系統(tǒng)邏輯框圖數(shù)字采集系統(tǒng)邏輯框圖402、系統(tǒng)控制流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制流驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 從用戶要求出發(fā)，由應(yīng)該實(shí)施的控制過程入手，

22、確定系從用戶要求出發(fā)，由應(yīng)該實(shí)施的控制過程入手，確定系統(tǒng)的控制流程，然后依據(jù)控制的要求及信號(hào)的格式，逐步導(dǎo)統(tǒng)的控制流程，然后依據(jù)控制的要求及信號(hào)的格式，逐步導(dǎo)出系統(tǒng)電路的實(shí)施方案。出系統(tǒng)電路的實(shí)施方案。例、設(shè)計(jì)一發(fā)電機(jī)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)。例、設(shè)計(jì)一發(fā)電機(jī)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)。 控制過程：市電停電后自動(dòng)啟動(dòng)，啟動(dòng)兩分鐘后檢測(cè)發(fā)電控制過程：市電停電后自動(dòng)啟動(dòng)，啟動(dòng)兩分鐘后檢測(cè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是否正常，不正常告警，正常則進(jìn)入正常發(fā)電階段。機(jī)的轉(zhuǎn)速是否正常，不正常告警，正常則進(jìn)入正常發(fā)電階段。此時(shí)，不斷檢測(cè)轉(zhuǎn)速和電壓，以此調(diào)整油量；如果轉(zhuǎn)速此時(shí)，不斷檢測(cè)轉(zhuǎn)速和電壓，以此調(diào)整油量；如果轉(zhuǎn)速/電壓電壓超出一定的范圍

23、，告警并超出一定的范圍，告警并1分鐘停機(jī)。分鐘停機(jī)。 41開始開始停電停電發(fā)啟動(dòng)信號(hào)發(fā)啟動(dòng)信號(hào)2 min？測(cè)量轉(zhuǎn)速測(cè)量轉(zhuǎn)速告警告警合格合格調(diào)整油量調(diào)整油量轉(zhuǎn)速電壓合格？轉(zhuǎn)速電壓合格？告警告警3min？停機(jī)停機(jī)2 min？YNYNYNNYYNYNIN1OUT1A/D IN2OUT2OUT3 D/AOUT442v2.4 數(shù)字系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)及算法的結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)算法的設(shè)計(jì)及算法的結(jié)構(gòu)2.4.1算法設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì) 1、算法推導(dǎo)考慮的主要因素、算法推導(dǎo)考慮的主要因素邏輯指標(biāo)邏輯指標(biāo)非邏輯指標(biāo)非邏輯指標(biāo)最重要的指標(biāo)，表達(dá)系統(tǒng)必須完成的邏輯功能最重要的指標(biāo)，表達(dá)系統(tǒng)必須完成的邏輯功能邏輯功能以外的邏輯功能以外的

24、其他非邏輯約束其他非邏輯約束條件條件工作速度工作速度可靠性可靠性系統(tǒng)資源大小系統(tǒng)資源大小系統(tǒng)成本系統(tǒng)成本43例、例、4位乘法器的另一算法（累加法）位乘法器的另一算法（累加法）RA=ARB=BRM=0RA/RB=0RM=RM+RARB=RB-1RB=0開始開始結(jié)束結(jié)束遞減計(jì)數(shù)器遞減計(jì)數(shù)器比較器比較器累加器累加器寄存器寄存器COUNTRMAdder 8COMP 0CPBA884844兩種算法比較：兩種算法比較：移位累加移位累加直接累加直接累加邏輯功能邏輯功能相同相同運(yùn)算速度運(yùn)算速度快快慢慢硬件開銷硬件開銷多多少少價(jià)格價(jià)格高高低低2、硬件結(jié)構(gòu)對(duì)算法的影響、硬件結(jié)構(gòu)對(duì)算法的影響、對(duì)于不同規(guī)模、不同性質(zhì)

25、的器件，采用不同的算法設(shè)計(jì)、對(duì)于不同規(guī)模、不同性質(zhì)的器件，采用不同的算法設(shè)計(jì)對(duì)策。對(duì)策。、系統(tǒng)算法與硬件結(jié)構(gòu)必須有很好的對(duì)應(yīng)性，即可實(shí)現(xiàn)性、系統(tǒng)算法與硬件結(jié)構(gòu)必須有很好的對(duì)應(yīng)性，即可實(shí)現(xiàn)性45算法設(shè)計(jì)的典型方法：跟蹤法、歸納法、劃分法、解析法、算法設(shè)計(jì)的典型方法：跟蹤法、歸納法、劃分法、解析法、 綜合法。綜合法。跟蹤法跟蹤法按照已確定的系統(tǒng)功能，由控制要求或數(shù)據(jù)處理要求逐步按照已確定的系統(tǒng)功能，由控制要求或數(shù)據(jù)處理要求逐步細(xì)化、具體化，從而導(dǎo)出系統(tǒng)的算法。細(xì)化、具體化，從而導(dǎo)出系統(tǒng)的算法。例如：例如：發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)算法發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)算法跟蹤控制要求跟蹤控制要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)算法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)算法跟

26、蹤數(shù)據(jù)要求跟蹤數(shù)據(jù)要求數(shù)字密碼鎖、交通控制系統(tǒng)等數(shù)字密碼鎖、交通控制系統(tǒng)等46歸納法歸納法將比較抽象的設(shè)計(jì)要求具體化，然后再進(jìn)行一般規(guī)律的歸納將比較抽象的設(shè)計(jì)要求具體化，然后再進(jìn)行一般規(guī)律的歸納由此導(dǎo)出系統(tǒng)算法。由此導(dǎo)出系統(tǒng)算法。具體做法：首先假設(shè)一組特定的數(shù)據(jù)從解決具體數(shù)據(jù)處理和具體做法：首先假設(shè)一組特定的數(shù)據(jù)從解決具體數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)變換入手，從中發(fā)現(xiàn)普遍規(guī)律，最后求導(dǎo)出待設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)變換入手，從中發(fā)現(xiàn)普遍規(guī)律，最后求導(dǎo)出待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的算法的算法例如：例如：4位乘法器的算法設(shè)計(jì)位乘法器的算法設(shè)計(jì)例、設(shè)計(jì)一個(gè)順序排序電路例、設(shè)計(jì)一個(gè)順序排序電路AWRAMDSTARTREADYOUTDONE12n

27、47開始開始READY=1，R=0STARTi=1，READY=0j=2，READY=1DiR(j)R(j-1)=R(j)R(n)=Dij=nj=j+1R(j-1)=Dii=ni=i+1,READY=0結(jié)束結(jié)束NYYNYN假設(shè)輸入一組數(shù)據(jù)假設(shè)輸入一組數(shù)據(jù)(n=6)：4，6，5，3，8，9。歸納出算法。歸納出算法。48劃分法劃分法把一個(gè)運(yùn)算比較復(fù)雜的系統(tǒng)劃分成為一系列簡(jiǎn)單的運(yùn)算，然后把一個(gè)運(yùn)算比較復(fù)雜的系統(tǒng)劃分成為一系列簡(jiǎn)單的運(yùn)算，然后通過基本的運(yùn)算和基本邏輯運(yùn)算來完成。通過基本的運(yùn)算和基本邏輯運(yùn)算來完成。例、導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)例、導(dǎo)出實(shí)現(xiàn)Z=（A-B）（C+D）的算法流程。）的算法流程。開始開始Ra=A

28、，Rb=BRc=C，Rd=DR1=（Ra-Rb）R2=（Rc+Rd）Rz=R1R2結(jié)束結(jié)束49例、例、8位帶符號(hào)位的二進(jìn)制數(shù)的補(bǔ)碼變換器位帶符號(hào)位的二進(jìn)制數(shù)的補(bǔ)碼變換器A=asa6a5a4a3a2a1a0B=bsb6b5b4b3b2b1b0as、bs：符號(hào)位：符號(hào)位正數(shù)：符號(hào)位、數(shù)據(jù)位均不變，即正數(shù)：符號(hào)位、數(shù)據(jù)位均不變，即A=B負(fù)數(shù)：符號(hào)位不變，數(shù)據(jù)位進(jìn)行補(bǔ)碼變換，即數(shù)據(jù)位取反負(fù)數(shù)：符號(hào)位不變，數(shù)據(jù)位進(jìn)行補(bǔ)碼變換，即數(shù)據(jù)位取反 加加1。補(bǔ)碼變換器補(bǔ)碼變換器判別正負(fù)判別正負(fù)寄存寄存求反求反加加150開始開始WAITDONE=1STARTb6b5b4b3b2b1b0=C+1NasYA=BN012

29、3456aaaaaaaCY51解析法解析法對(duì)于一些難以劃分（分解）的計(jì)算，往往采用數(shù)學(xué)解析的對(duì)于一些難以劃分（分解）的計(jì)算，往往采用數(shù)學(xué)解析的方法進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。方法進(jìn)行算法設(shè)計(jì)。例、設(shè)計(jì)一個(gè)求平方根電路。例、設(shè)計(jì)一個(gè)求平方根電路。xy 牛頓逐次逼近法：牛頓逐次逼近法：2001yxyy序號(hào)序號(hào)y0 x/y0y0+x/y0（y0+x/y0）/201342121.53.51.7521.751.7143.4641.732131.73211.732003.46411.7320552開始開始讀讀x，y=y0 w=x/yu=(y+w)/2u-yEy=u結(jié)束結(jié)束53綜合法綜合法以上幾種方法結(jié)合起來運(yùn)用。逐步推

30、導(dǎo)獲得最后的算法。以上幾種方法結(jié)合起來運(yùn)用。逐步推導(dǎo)獲得最后的算法。542.4.2 算法的結(jié)構(gòu)算法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的運(yùn)算復(fù)雜的運(yùn)算子運(yùn)算子運(yùn)算1子運(yùn)算子運(yùn)算2子運(yùn)算子運(yùn)算N子運(yùn)算子運(yùn)算1-1子運(yùn)算子運(yùn)算1-2算法的結(jié)構(gòu)：討論各個(gè)子運(yùn)算之間的執(zhí)行方法和次序算法的結(jié)構(gòu)：討論各個(gè)子運(yùn)算之間的執(zhí)行方法和次序常用結(jié)構(gòu)：常用結(jié)構(gòu)：順序算法結(jié)構(gòu)、并行算法結(jié)構(gòu)、流水線算法結(jié)構(gòu)順序算法結(jié)構(gòu)、并行算法結(jié)構(gòu)、流水線算法結(jié)構(gòu)55順序算法結(jié)構(gòu)順序算法結(jié)構(gòu)在執(zhí)行算法的過程中，某一時(shí)間內(nèi)只進(jìn)行一個(gè)子運(yùn)算。在執(zhí)行算法的過程中，某一時(shí)間內(nèi)只進(jìn)行一個(gè)子運(yùn)算。各個(gè)子運(yùn)算間按規(guī)定的次序逐個(gè)依次進(jìn)行。各個(gè)子運(yùn)算間按規(guī)定的次序逐個(gè)依次進(jìn)行。P2P1P5P4P3P2P1t0