第7章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)(A改)

第7章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)7.1數(shù)字系統(tǒng)概述

7.2數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的描述工具(4種)7.3控制器的設(shè)計(jì)7.4數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例采用超鏈接播放1/16/20231知識(shí)點(diǎn)一：數(shù)字系統(tǒng)概述知識(shí)點(diǎn)二：寄存器傳輸語(yǔ)言知識(shí)點(diǎn)三：ASM圖知識(shí)點(diǎn)四：數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例教學(xué)基本要求：1.了解數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程；2.了解寄存器傳輸語(yǔ)言描述數(shù)字系統(tǒng)的方法；3.掌握使用ASM圖設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的方法。本章知識(shí)點(diǎn)及要求（8學(xué)時(shí)）1/16/202327.1概述二、數(shù)字系統(tǒng)的基本模型1.基本模型2.數(shù)據(jù)處理器3.控制器3.電路設(shè)計(jì)2.邏輯設(shè)計(jì)五、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟4.物理設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)四、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

一、數(shù)字系統(tǒng)的概念及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)

1.自頂向下法2.自下向上法3.綜合法三、數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)序約定1.同步數(shù)字系統(tǒng)2.最小時(shí)鐘周期3.異步輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成同步輸入信號(hào)1/16/20233二、方框圖三、算法流程圖四、算法狀態(tài)機(jī)圖（ASM圖）ASM圖的建立

ASM圖與狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的關(guān)系

ASM圖推導(dǎo)處理器明細(xì)表和控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖一、寄存器傳輸語(yǔ)言RTL7.2數(shù)字系統(tǒng)的描述工具1.傳輸操作語(yǔ)句2.算術(shù)操作語(yǔ)句3.邏輯操作語(yǔ)句4.移位操作語(yǔ)句5.條件控制語(yǔ)句五、ASM圖設(shè)計(jì)舉例例2:

根據(jù)文字描述畫出相應(yīng)的ASM圖。

例1:1/16/20234

7.3控制器的設(shè)計(jì)例4:基于ASM圖,用每態(tài)一個(gè)觸發(fā)器法設(shè)計(jì)控制器。例3:基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,用MSI數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)控制器。1.以圖形方式設(shè)計(jì)控制器采用SSI電路法、MSI電路法、每態(tài)一個(gè)觸發(fā)器法——注意：應(yīng)先得到控制器的時(shí)序邏輯表達(dá)式！2.以文本方式設(shè)計(jì)控制器獲ASM圖后，可直接采用VHDL語(yǔ)言描述控制器。

控制器是時(shí)序邏輯網(wǎng)絡(luò)，其設(shè)計(jì)依據(jù)是ASM圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖?？刂破髟O(shè)計(jì)有圖形方式和文本方式兩種。例7.3.1基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,用VHDL語(yǔ)言描述控制器。1/16/202357.4數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)及VHDL的應(yīng)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(diǎn)(6)降低設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)周期；例7.4.2交通燈管理系統(tǒng)。例7.4.1二進(jìn)制數(shù)字乘法器的MSI設(shè)計(jì)。二、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路例7.3.2

自動(dòng)售飲料機(jī)。

(了解：VHDL設(shè)計(jì))1/16/202361.侯伯亨,周端等.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

[M]，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.11。參考教材1/16/20237【作業(yè)】7.17.27.37.57.77.8望同學(xué)們：獨(dú)立完成作業(yè)認(rèn)真完成作業(yè)1/16/20238第7章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)一、數(shù)字系統(tǒng)的概念及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)由若干數(shù)字邏輯部件構(gòu)成的，能夠產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸、處理數(shù)字信息的客觀實(shí)體。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(shè)計(jì)具體的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)所描述的系統(tǒng)邏輯功能。數(shù)字系統(tǒng)的概念數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)7.1概述1/16/20239四、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

1.自底向上法（Bottom-up）——也稱“試湊法”

元件級(jí)→部件級(jí)→子系統(tǒng)級(jí)→系統(tǒng)級(jí)

優(yōu)點(diǎn)：可以繼承使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的、成熟的部件與子系統(tǒng)，從而可以設(shè)計(jì)重用，提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)率。

缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)思想受控于現(xiàn)成可用的元件，不容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的、清晰易懂的以及可靠性高、可維護(hù)性好的設(shè)計(jì)。

2.自頂向下法（Top-Down）

系統(tǒng)級(jí)→子系統(tǒng)級(jí)→部件級(jí)→元件級(jí)是一種概念驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法。盡量運(yùn)用概念（即抽象）去描述和分析設(shè)計(jì)對(duì)象，不過(guò)早地考慮實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)的具體電路和工藝，以抓住主要矛盾，避免糾纏在具體細(xì)節(jié)上。

【優(yōu)點(diǎn)】可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的、清晰易懂的，以及可靠性高、可維護(hù)性好的設(shè)計(jì)——數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

利用真值表、卡諾圖、邏輯方程、狀態(tài)圖和狀態(tài)表等工具進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)?！?.1概述1/16/2023103.綜合法——以自頂向下法為主導(dǎo)，并結(jié)合使用自底向上法（TD&BUCombined）

能保證實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的、清晰易懂的以及可靠性高、可維護(hù)性好的設(shè)計(jì)，又能減少設(shè)計(jì)的重復(fù)勞動(dòng)，提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)率。IP核(IntellectualProperty——知識(shí)產(chǎn)權(quán))：

封裝有5000門以上的硅功能塊，是一種可重復(fù)利用的知識(shí)產(chǎn)品。如：MPEG、DSP、DRAM、PCI、USB、…四、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

——7.1概述1/16/202311——7.1概述二、數(shù)字系統(tǒng)的基本模型1.基本模型(1)輸入接口：完成信號(hào)轉(zhuǎn)換、同步化處理等;(2)輸出接口：輸出整個(gè)系統(tǒng)的各類信號(hào);

(3)數(shù)據(jù)處理器

(4)控制器

輸出接口數(shù)據(jù)處理器輸入接口輸出接口外部輸入控制信號(hào)時(shí)鐘外部輸入狀態(tài)信號(hào)控制信號(hào)數(shù)字邏輯子系統(tǒng)外部輸出外部輸出控制信號(hào)控制器輸入接口1/16/202312通過(guò)系統(tǒng)邏輯的分析,明確數(shù)據(jù)處理器的操作任務(wù),作出數(shù)據(jù)處理器明細(xì)表,以明細(xì)表作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

——依次接受控制器的命令或外部激勵(lì)，并依據(jù)這些命令或激勵(lì)，完成信息的加工和存儲(chǔ)等寄存器操作；同時(shí)，檢驗(yàn)信息間的函數(shù)關(guān)系，并產(chǎn)生控制器的狀態(tài)變量。2.數(shù)據(jù)處理器

(1)模型

①組合網(wǎng)絡(luò)

②狀態(tài)寄存器組

③控制網(wǎng)絡(luò)

(2)設(shè)計(jì)…QmQ1m1……組合邏輯網(wǎng)絡(luò)I外部輸入激勵(lì)信號(hào)外部輸出激勵(lì)信號(hào)XZ圖7.1.2數(shù)據(jù)處理器模型明細(xì)表——7.1概述S控制網(wǎng)絡(luò)…m1C寄存器控制信號(hào)控制器包括暫存器、移位寄存器、計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)器等1/16/2023133.控制器(1)模型

①組合網(wǎng)絡(luò)

②狀態(tài)寄存器(Q)(2)設(shè)計(jì)以狀態(tài)轉(zhuǎn)移表為設(shè)計(jì)依據(jù)。

組合邏輯網(wǎng)絡(luò)II外部輸入控制信號(hào)外部輸出控制信號(hào)S(Q)狀態(tài)寄存器C現(xiàn)態(tài)激勵(lì)信號(hào)圖7.1.3控制器模型——生成和發(fā)送控制信號(hào)序列，以便控制數(shù)據(jù)處理器完成與算法對(duì)應(yīng)的特定操作。——7.1概述數(shù)據(jù)處理器1/16/202314三、數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)序約定

1.同步數(shù)字系統(tǒng)(1)控制器和處理器同時(shí)由一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘控制；

(2)輸入信號(hào)都與系統(tǒng)時(shí)鐘同步；

(3)系統(tǒng)時(shí)鐘同時(shí)到達(dá)所有存儲(chǔ)元件的時(shí)鐘脈沖的輸入端。

CP

現(xiàn)態(tài)次態(tài)圖7.1.4系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖波形有效邊沿——7.1概述1/16/2023152.最小時(shí)鐘周期受系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的限制，存在TCP(min)。3.異步輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成同步輸入信號(hào)

(1)異步輸入信號(hào)(2)同步化處理的思路

①將異步輸入信號(hào)寄存；

②讓同步化后的輸入與當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘的有效時(shí)刻同時(shí)出現(xiàn)，并保持一個(gè)時(shí)鐘周期。

(3)同步化電路（以單脈沖電路為例）早于或晚于當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘有效沿出現(xiàn)的輸入信號(hào)?！?.1概述1/16/2023161.系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.邏輯設(shè)計(jì)3.電路設(shè)計(jì)4.物理設(shè)計(jì)系統(tǒng)任務(wù)分析確定算法系統(tǒng)（模塊）劃分確定數(shù)據(jù)處理器明細(xì)表、控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移表推導(dǎo)ASM圖選擇合理器件和連接關(guān)系以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯要求用實(shí)際器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)五、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟

——7.1概述1/16/202317一、寄存器傳輸語(yǔ)言RTL7.2數(shù)字系統(tǒng)的描述工具二、方框圖三、算法流程圖四、算法狀態(tài)機(jī)圖（ASM圖）描述寄存器所存信息之間的交流及處理，由控制和操作兩部分組成。是一個(gè)自上而下的、逐步細(xì)化地描述系統(tǒng)的方法。按照先后順序描述算法，與系統(tǒng)的時(shí)序無(wú)關(guān)，因此不能作為下一步系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)的依據(jù)。描述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的數(shù)字系統(tǒng)工作流程，其精確地規(guī)定了系統(tǒng)操作時(shí)序，是系統(tǒng)控制過(guò)程的算法流程圖。用于邏輯設(shè)計(jì)階段用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段描述數(shù)字系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)描述數(shù)字部件級(jí)功能1/16/202318可以描述數(shù)字系統(tǒng)的4部分信息：①寄存器及功能；②寄存器中的二進(jìn)制碼；③寄存器中信息所表示的操作；④啟動(dòng)操作的控制函數(shù)。

一、寄存器傳輸語(yǔ)言(RTL)表示了寄存器傳輸操作，且與硬件間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，可簡(jiǎn)明地描述寄存器信息的交流和處理，即描述了電路功能部件級(jí)的操作，用于邏輯設(shè)計(jì)階段。

1.寄存器的表示方法(1)大寫英文字母

(2)方塊圖

A寄存器AA寄存器位編號(hào)表示1n寄存器A的各位表示An…A2A13.寄存器的傳輸語(yǔ)言2.寄存器的操作對(duì)寄存器所存信息的存貯、傳輸和處理。

——由控制和操作兩部分組成?！?.2描述工具1/16/2023191.傳輸操作語(yǔ)句控制函數(shù)結(jié)束控制函數(shù)LD

ABn實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句的邏輯圖圖7.2.2——7.2描述工具例1：例2：多寄存器傳輸操作，見(jiàn)P243。操作:傳輸控制器數(shù)據(jù)處理器1&控制電路T1X1/16/202320算數(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算例如：T1+T2：A

←

A

+

B

，C

←

D∨F

2.算術(shù)操作語(yǔ)句T2:A←A+B

T5:A←A+1圖7.2.5

完成”+”和增”1”

操作的方框圖3.邏輯操作語(yǔ)句（并行關(guān)系）兩個(gè)操作同時(shí)實(shí)現(xiàn)注意：控制函數(shù)中仍用邏輯運(yùn)算符“?”、“+”表示。例如：包括加、減、求反

等?？刂破鱐2T5包括與“∧”

、或“∨”

、非“”、異或“”等。有別于算術(shù)運(yùn)算符“?”、“+”?！?.2描述工具增1并入并行加法器ABAA+BB1/16/2023214.移位操作語(yǔ)句1.右移操作：X←SR(A,X)

；A右移入X2.左移操作：X←SL(X,A)

；A左移入XX←SR(X)

；0右移入XX←SL(X)

；0左移入X5.條件控制語(yǔ)句P：IF(條件)Then(微操作1)Else(微操作2)控制函數(shù)例如：等價(jià)為：——7.2描述工具1/16/202322二、方框圖1.作用——用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，描述數(shù)字系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步做為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。2.構(gòu)成要素①方框：定義和描述系統(tǒng)的輸入輸出以及實(shí)現(xiàn)的算法；②帶箭頭的直線；③標(biāo)注；④系統(tǒng)說(shuō)明書?！?.2描述工具舉例1：一個(gè)智能儀表的方框圖（圖7.2.9）舉例2：PentiumPC結(jié)構(gòu)框圖1/16/202323三、算法流程圖1.作用注意：算法流程圖與電路的時(shí)序無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.三類基本符號(hào)描述算法，用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。入口點(diǎn)；出口點(diǎn)；傳輸框；判斷框

A←A+BPBA（d）判斷框

（a）入口點(diǎn)（b）出口點(diǎn)（c）傳輸框圖7.2.10流程圖符號(hào)——7.2描述工具1/16/202324系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖控制器CCA組合電路XTS例7.2.3

計(jì)算設(shè)計(jì)算法流程圖。圖7.2.12算法流程圖A←0,C←0A←A-XA←A+XA←A-XA←A+XA←A-XC←1A←A+XC←1101010X<0X<0X<0——7.2描述工具標(biāo)志位C=1時(shí)輸出有效1/16/202325算法狀態(tài)機(jī)ASM是設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的常用工具，主要用于同步系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)階段，可以準(zhǔn)確地描述控制器的功能和狀態(tài)變化條件。此外，ASM可以精確地表示出狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)間關(guān)系，而一般的算法語(yǔ)言只能表達(dá)事件的先后順序，無(wú)法表示其所經(jīng)歷的時(shí)間。

ASM圖與算法流程圖的區(qū)別:

ASM圖嚴(yán)格規(guī)定了系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)序——若控制器處于一個(gè)狀態(tài)，系統(tǒng)執(zhí)行該操作；當(dāng)控制器轉(zhuǎn)換到另一狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)則執(zhí)行相應(yīng)的操作，且伴隨著控制器狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)操作也相應(yīng)時(shí)序地進(jìn)行?！?.2描述工具

ASM圖

——是描述數(shù)字系統(tǒng)硬件算法的流程圖?！梢苑从晨刂茥l件、控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換、控制器輸出，以及處理器執(zhí)行的操作，從而精確地描述整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程；另外，根據(jù)ASM圖可以很容易地得到狀態(tài)函數(shù)和輸出函數(shù)，從而得出相應(yīng)的硬件電路。四、算法狀態(tài)機(jī)圖（ASM圖）1/16/202326——包括建立原則、各種邏輯框之間的時(shí)間關(guān)系6.由ASM圖推導(dǎo)處理器明細(xì)表和控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖四、算法狀態(tài)機(jī)圖（ASM圖）1.作用按系統(tǒng)時(shí)序來(lái)描述系統(tǒng)硬件的工作過(guò)程。

2.基本符號(hào)(1)狀態(tài)框

(2)判斷框

(3)條件框

3.ASM塊僅且只能包含一個(gè)狀態(tài)框,表示在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)系統(tǒng)將完成的寄存器操作和狀態(tài)轉(zhuǎn)換;

但ASM塊中的各種寄存器操作和狀態(tài)轉(zhuǎn)換均發(fā)生在下一個(gè)有效時(shí)鐘的邊沿。一個(gè)ASM圖可分解為若干個(gè)ASM塊,而每個(gè)ASM塊:5.ASM圖與狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的關(guān)系4.ASM圖的建立——7.2描述工具ASM塊1/16/202327ASM圖和算法流程圖都有判斷框,且ASM圖的狀態(tài)框與算法流程圖的傳輸框的功能相似。然而,狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖只定義了一個(gè)控制器的操作,故無(wú)法表明數(shù)據(jù)處理器中寄存器的操作;而ASM圖用于邏輯設(shè)計(jì)階段，除了定義控制器外，還需指明數(shù)據(jù)處理器所實(shí)現(xiàn)的操作，故為了精確地對(duì)應(yīng)著硬件的時(shí)序關(guān)系,ASM圖增加了條件框。應(yīng)注意：算法流程圖→ASM圖時(shí)①算法流程圖的傳輸框是應(yīng)該轉(zhuǎn)換成ASM圖的狀態(tài)框，還是轉(zhuǎn)換成ASM圖的條件框？

②根據(jù)時(shí)序關(guān)系，何時(shí)增加ASM狀態(tài)框？一個(gè)ASM圖塊等效于狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中的一個(gè)狀態(tài)。若將ASM圖轉(zhuǎn)換成狀態(tài)圖,則可以利用時(shí)序電路設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)控制器。5.ASM圖與狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的關(guān)系

無(wú)法表示寄存器傳輸操作舉例：例7.2.4各種邏輯框之間的時(shí)間關(guān)系可表示寄存器傳輸操作4.ASM圖的建立從算法流程圖ASM圖

原則1：在算法的起始點(diǎn)必須安排一個(gè)狀態(tài)框；

原則2：因?yàn)椴荒茉谕粫r(shí)鐘周期完成不同的寄存器操作,故兩個(gè)不同的狀態(tài)必須用兩個(gè)不同的狀態(tài)框;

原則3：轉(zhuǎn)換時(shí)，若判斷框中的轉(zhuǎn)移條件受前一個(gè)寄存器操作的影響，應(yīng)在它們之間安排一個(gè)狀態(tài)框。

舉例：例7.2.5由算法流程圖導(dǎo)出ASM圖——7.2描述工具1/16/202328一個(gè)ASM圖描述了一個(gè)完整的數(shù)字系統(tǒng)，它既包含了處理器的信息，又包含了控制器的信息。根據(jù)處理器明細(xì)表和控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移表就可以設(shè)計(jì)出具體電路。功能描述：BEGIN、EDN分別表示外部送入系統(tǒng)的啟動(dòng)、結(jié)束命令。BEGIN命令時(shí),DATA連續(xù)2;END命令時(shí),結(jié)果輸出。RESET為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)流程圖中“”處表示應(yīng)安排狀態(tài)。6.由ASM圖推導(dǎo)處理器明細(xì)表和控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖T2C1C2C3C5S1S20110C4T0T1T3算法流程圖ASM圖

——7.2描述工具圖7.2.26RESET1RESET0ADATA,BUSY0ASR(A)BUSY1YA,BUSY0BEGINEND0110狀態(tài)框內(nèi)的寄存器操作和判斷框中的變量均可用助記符對(duì)應(yīng)表示。1/16/202329處理器明細(xì)表（表7.2.5）操作表變量表控制信號(hào)操作變量定義C1C2C3C4C5RESET1RESET

0,ADATA,BUSY0

A

SR(A)BUSY

1YA,BUSY0S1S2DATA在

外部BEGIN命令時(shí),

連續(xù)2;外部END命令時(shí)結(jié)果輸出ASM圖

——7.2描述工具接上例T2C1C2C3C5S1S20110C4T0T1T3狀態(tài)框內(nèi)的助記符

C1,C2,C3,C4,C5分別代表著由控制器發(fā)出的不同控制信號(hào)。數(shù)據(jù)處理器收到控制器發(fā)出的這些命令后即執(zhí)行相應(yīng)的操作。判斷框內(nèi)的變量S1,S2是處理器發(fā)給控制器的狀態(tài)信號(hào)，或著是從輸入接口送給控制器的外部輸入命令。1/16/202330控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖ASM圖

——7.2描述工具接上例/C2S2/C3S1/C1/C5S1/C1S2/C3C4T2C1C2C3C5S1S20110C4T0T1T31/16/202331例1:在T1狀態(tài)下,如果控制輸入YZ=10,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)條件操作,即寄存器增1,并切換到狀態(tài)T2。試按上述條件畫出一個(gè)部分ASM圖。YZREG←REG+1T1T2011110010——ASM圖設(shè)計(jì)舉例ASM算法流程圖可以直接從控制算法得到，也可以從狀態(tài)圖轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)（見(jiàn)例3）。可見(jiàn)，這是一個(gè)二狀態(tài)機(jī)。1/16/202332例2：設(shè)電路的輸入為X,輸出為Z

。當(dāng)X在連續(xù)的4個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)輸入全“0”或全“1”時(shí),輸出為“1”;否則，輸出為“0”。試畫出該電路的ASM圖。1T4XT51XT61X1Z←1000ASM圖1T0Z←0111T1T2T3Z←1X0X0X0X0——ASM圖設(shè)計(jì)舉例分析：用兩種畫法，分別得到ASM圖1和ASM圖21/16/202333——ASM圖設(shè)計(jì)舉例Z←0,CNT←0T01T2CNT←CNT+1Z←100XCNT←CNT+1T10ASM圖21Z←1100XCNT=2X11CNT=2ASM圖1接上例例2(續(xù))——增加一個(gè)輸出變量CNT。1/16/202334例3:控制器的狀態(tài)圖示于下圖，它有四個(gè)狀態(tài)和兩個(gè)輸入端。請(qǐng)完成下列問(wèn)題：（1）試畫出等效的ASM圖（狀態(tài)框是空的）；（2）用MSI數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)控制器。11000110X=0X=1X=0X=0X=1Y=0X=1,Y=0X=1,Y=1X=1,Y=0X=1,Y=1——控制器設(shè)計(jì)舉例1/16/202335——控制器設(shè)計(jì)舉例011（1）畫出等效的ASM圖（狀態(tài)框是空的）；XXYT0T2T1T30010010011111010XYXY1111000將二進(jìn)制代碼00,01,10,11分別分配給

T0,T1,T2,T3,得ASM圖：接上例1?XY101/16/202336——控制器設(shè)計(jì)舉例（2）用數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)控制器1010100110111110010010T11010000000T0Q1Q2YXQ1Q2次態(tài)輸入現(xiàn)態(tài)0000101010101011111111100011T3111101T2控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移表如右：控制器的4個(gè)狀態(tài)

T0

,

T1,

T2,

T3

可用2個(gè)DFF、2個(gè)4選1數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn),

則Q2,Q1的次態(tài)卡諾圖如下：1010Q2Q1(a)Q2次態(tài)圖0x+yxx(b)Q1次態(tài)圖xxyxyx+y1010Q2Q1接上例1?XY101/16/202337——控制器設(shè)計(jì)舉例數(shù)據(jù)選擇器電路實(shí)現(xiàn)如右圖：1010Q2Q1(a)Q2次態(tài)圖0xx(b)Q1次態(tài)圖xxyxyx+y1010Q2Q1x+yD0&1xyD0D1D2D3A1A0Y?741531DC1RY1DC1RD0D1D2D3A1A0Y?74153CLKCLRQ2Q1x0xy1xyD1D2D3D0D1D2D3

接上例1/16/202338例4:分別用(1)每態(tài)一個(gè)觸發(fā)器法和(2)MSI電路法設(shè)計(jì)右圖所示ASM圖的控制器。X2X3X4ZT0T300110110010101T101T210X2X10011——控制器設(shè)計(jì)舉例(1)用每態(tài)一個(gè)觸發(fā)器法采用DFF,且由ASM圖知：1/16/202339——控制器設(shè)計(jì)舉例CP&1Z1111&&&&&&&1111T0T1T2T3X1X2X3X4X2X3接上例1DC1S1DC1R1DC1R1DC1RQ0Q1Q2Q3F0F1F2F31/16/202340——控制器設(shè)計(jì)舉例(2)用MSI電路法

——采用多路選擇器、寄存器、譯碼器：

分析：控制器有4個(gè)狀態(tài)（T0、T1、T2、T3

），若僅用2個(gè)DFF觸發(fā)器（分別用F0、F1表示），則還需2個(gè)四選一多路選擇器和1個(gè)2-4線譯碼器：將二進(jìn)制代碼00,01,10,11分別分配給T0,T1,T2,T3，控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表如下：接上例1/16/202341——控制器設(shè)計(jì)舉例現(xiàn)態(tài)輸入次態(tài)輸出Q2Q1X1X2X3X4Q2Q1ZT000010T101010001100100111011101111011T21000110100100010100001011100T3110001010Q2Q1(a)Q2次態(tài)圖1010Q2Q1(b)Q1次態(tài)圖10x2x1x200x2+x3x4Q2,Q1的次態(tài)卡諾圖接上例1/16/202342&1D0D1D2D3A1A0Y?741531DC1R1A0A1Y0T01Y1T11Y2T21Y3T31DC1R=01D0D1D2D3A1A0Y?74153?74139CLKCLRQ1Q2x2x2x1x2&x4x3x2x1&x2x3Z——控制器設(shè)計(jì)舉例電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：D0D1D2D3D0D1D2D3接上例1010Q2Q1(a)Q2次態(tài)圖1010Q2Q1(b)Q1次態(tài)圖10x2x1x200x2+x3x41/16/202343一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.明確設(shè)計(jì)任務(wù)(2)手算過(guò)程(一次相加)(1)算法規(guī)律(4)部分積左移算法流程圖與系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)圖(5)部分和右移算法流程圖與系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)圖(3)電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程(多次相加)2.確定系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)圖部分和右移算法演示——二進(jìn)制乘法器設(shè)計(jì)1/16/202344二、邏輯設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)2.數(shù)據(jù)處理器的設(shè)計(jì)ASM圖操作明細(xì)表選元器件求表達(dá)式邏輯設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)1.導(dǎo)出ASM圖——二進(jìn)制乘法器設(shè)計(jì)1/16/202345——控制器設(shè)計(jì)方法——(1)SSI設(shè)計(jì)(傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法)ASM圖狀態(tài)轉(zhuǎn)移表選元器件激勵(lì)表達(dá)式邏輯設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)——控制器設(shè)計(jì)方法(2)MSI設(shè)計(jì)——數(shù)選器、譯碼器、觸發(fā)器等ASM圖狀態(tài)轉(zhuǎn)移表選元器件激勵(lì)表達(dá)式邏輯設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)①

設(shè)計(jì)框圖②具體電路——門電路、觸發(fā)器先由狀態(tài)轉(zhuǎn)移表求得激勵(lì)函數(shù)和輸出函數(shù)，然后用SSI實(shí)現(xiàn)。按SSI思路求得激勵(lì)和輸出，然后用MSI實(shí)現(xiàn)。

注意：二者的區(qū)別在于電路設(shè)計(jì)時(shí)所用的元器件不同！1/16/202346(3)用每態(tài)一個(gè)觸發(fā)器的方法（用SSI）

方法：每一個(gè)狀態(tài)用一個(gè)觸發(fā)器——控制器的狀態(tài)數(shù)與觸發(fā)器的數(shù)目相等，時(shí)序電路不需要進(jìn)行狀態(tài)分配，即在任何一個(gè)時(shí)刻，只有一個(gè)觸發(fā)器處于“1”，其它的處于“0”。特點(diǎn)：這種方法所用觸發(fā)器的數(shù)目最大，但控制器邏輯圖易讀，且不用列出狀態(tài)轉(zhuǎn)移表?！刂破髟O(shè)計(jì)方法分析

ASM

圖，可直接得到

：觸發(fā)器激勵(lì)方程，即觸發(fā)器置“1”的條件；組合電路輸出，即控制信號(hào)的輸出?！刂破髟O(shè)計(jì)方法——重點(diǎn)1/16/202347ASM圖狀態(tài)轉(zhuǎn)移表選元器件求表達(dá)式邏輯設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)PLA編程表(4)用PLA的方法（用LSI）當(dāng)控制器狀態(tài)較多、輸入控制變量數(shù)目較多時(shí)，選擇SSI或MSI實(shí)現(xiàn)控制器就不太合適了。PLA可以實(shí)現(xiàn)任何復(fù)雜的組合邏輯網(wǎng)絡(luò)，因此，用PLA+時(shí)序寄存器就可以實(shí)現(xiàn)控制器。PLA控制器電路結(jié)構(gòu)：類似于多路選擇器—時(shí)序寄存器—譯碼器法?！刂破髟O(shè)計(jì)方法——控制器設(shè)計(jì)方法——了解1/16/202348系統(tǒng)功能在進(jìn)行任務(wù)分解時(shí)，須遵循下列原則，才能得到一個(gè)系統(tǒng)化的、清晰易懂的、可靠性高、可維護(hù)性好的設(shè)計(jì)：（1）正確性和完備性原則檢查指標(biāo)所要求的各項(xiàng)功能是否都實(shí)現(xiàn)了，且留有必要的余地，最后還要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。每個(gè)子系統(tǒng)、部件或子部件應(yīng)設(shè)計(jì)成在功能上相對(duì)獨(dú)立的模塊，而且對(duì)某個(gè)模塊內(nèi)部進(jìn)行修改時(shí)不應(yīng)影響其他的模塊。（2）模塊化、結(jié)構(gòu)化原則（3）問(wèn)題不下放原則在某一級(jí)的設(shè)計(jì)中如遇到問(wèn)題時(shí)，必須將其解決了才能進(jìn)行下一級(jí)的設(shè)計(jì)。在底層遇到的問(wèn)題找不到解決辦法時(shí)，必須退回到它的上一級(jí)去甚至再上一級(jí)去，通過(guò)修改上一級(jí)的設(shè)計(jì)來(lái)減輕下一級(jí)設(shè)計(jì)的困難。（4）高層主導(dǎo)原則（5）直觀性、清晰性原則不建議采用難以理解的訣竅和技巧，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中和文檔中直觀、清晰地反映出設(shè)計(jì)者的思路。【解釋】——數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路1/16/202349CPUCACHESDRAMAGP顯卡CRTSCSI接口聲卡南橋芯片HDISKCDROMUSB1網(wǎng)卡BIOSRS232并行接口打印機(jī)軟盤驅(qū)動(dòng)器接口FDISK鍵盤、鼠標(biāo)接口鍵盤鼠標(biāo)IDE接口1IDE接口2USB接口100/66MHz133/66MHz100/66MHzPentium個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)北橋芯片PCI總線(33MHz)ISA/EISA總線(8.3MHz)——方框圖舉例21/16/20235010101101MQA000001101101001010110

10

01010

11

00000Q×++0

01010

1100

00101

0

11右移一位右移一位相加結(jié)果相加結(jié)果0

110010111010+0

01100

1

01右移一位相加結(jié)果1

000001

0

11010+0

10000

0

1

0右移一位相加結(jié)果——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202351M10011110運(yùn)算過(guò)程算式說(shuō)明1010被乘數(shù)M×乘數(shù)Q

累加器A初始內(nèi)容1010第一部分積

第一部分和

00000第二部分積

第二部分和

101000第三部分積

第三部分和1010000第四部分積

乘積=第四部分和QA×100100000001001100011000000000001101++++0000000000001010001100100000101010000010——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202352舉例——數(shù)據(jù)處理器明細(xì)表（表7.1.1）

【說(shuō)明】①數(shù)據(jù)處理器明細(xì)表用來(lái)描述數(shù)據(jù)處理器的具體操作過(guò)程，僅起說(shuō)明作用,不作任何操作；②明細(xì)表包括操作表和變量表?！獢?shù)據(jù)處理器明細(xì)表1/16/202353CP

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

當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)鐘有效沿——異步輸入信號(hào)1/16/202354圖7.1.7寬脈沖同步轉(zhuǎn)換電路PB﹡CPQ1Q2PB(b)波形圖寄存一個(gè)時(shí)鐘周期延遲同步時(shí)鐘異步——同步化電路1/16/202355&PBPB﹡1DC1QQ&1同步CP時(shí)鐘異步寄存脈寬小于時(shí)鐘周期例：一種同步化電路。圖7.1.8窄脈沖同步化電路——同步化電路時(shí)序詳見(jiàn)P2381/16/202356……系統(tǒng)輸出輸入（a）一般方框圖控制器C數(shù)據(jù)采集輸入數(shù)據(jù)處理C輸出數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)打印（b）系統(tǒng)分解圖圖7.2.9一個(gè)智能儀表的方框圖——方框圖舉例11/16/202357（C）進(jìn)一步細(xì)化方案圖7.2.9一個(gè)智能儀表的方框圖（d）數(shù)據(jù)處理模塊 的細(xì)化接上例——方框圖舉例1控制器C數(shù)據(jù)采集輸入數(shù)據(jù)處理C輸出數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)打印1/16/202358寄存器操作或輸出符號(hào)二進(jìn)制代碼（a）狀態(tài)框（b）實(shí)例R←0START011T3圖7.2.13狀態(tài)框及實(shí)例狀態(tài)框——ASM圖狀態(tài)框的內(nèi)容：數(shù)據(jù)處理器應(yīng)完成的操作。1/16/20235901T1X1T2T3T4X201X1X2011T1T2T3T410（a）真值表圖解分支表示（b）變量?jī)?yōu)先級(jí)分支表示條件分支分支01

分支分支01

條件或判斷框——ASM圖1/16/202360圖7.2.16條件框及實(shí)例STARTT1T201001001ER←0寄存器操作或輸出條件框——ASM圖注意：條件框是ASM圖所特有的，其在時(shí)序上未與前面的操作發(fā)生沖突(即在同一個(gè)ASM塊中)，常置于ASM圖中判斷框之后；否則，應(yīng)采用狀態(tài)框。說(shuō)明：條件框的內(nèi)容是在判斷條件滿足時(shí)才發(fā)生的！1/16/202361圖7.2.17ASM塊A←A+1T1T201001001ER←0FT4100T301101等效狀態(tài)圖注意：每個(gè)ASM塊必須包含一個(gè)狀態(tài)框，可能還有幾個(gè)與它相連的判斷框和條件框?！狝SM圖與狀態(tài)圖的關(guān)系1/16/202362例7.2.4一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理器有2個(gè)觸發(fā)器E和

F

，1個(gè)4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器A（A3A2A1A0）。啟動(dòng)信號(hào)S

使計(jì)數(shù)器A

和觸發(fā)器F

清“0”，從下一個(gè)時(shí)鐘脈沖開(kāi)始，計(jì)數(shù)器增1，直至系統(tǒng)停止工作。

系統(tǒng)的操作序列由A2和A3

之值決定，即：①

A2=0,觸發(fā)器

E

清“0”，并繼續(xù)計(jì)數(shù)。②

A2=1,觸發(fā)器

E

置“1”，并檢驗(yàn)A3

——

若A3=0,繼續(xù)計(jì)數(shù);若

A3=1,觸發(fā)器

F

置“1”,且計(jì)數(shù)器增1,

然后,

系統(tǒng)停止計(jì)數(shù)。每個(gè)ASM塊中的所有操作均在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成?！總€(gè)ASM塊中所規(guī)定的各種寄存器操作，以及狀態(tài)的轉(zhuǎn)換均發(fā)生在下個(gè)時(shí)鐘的同一個(gè)有效邊沿?！鞣N邏輯框的關(guān)系1/16/202363——各種邏輯框的關(guān)系①A2=0時(shí),E

0,并繼續(xù)計(jì)數(shù)。②A2=1時(shí),E

1,并檢驗(yàn)A3，此時(shí)，——若A3=0,繼續(xù)計(jì)數(shù)

;若A3=1,F

1,且A

A+1,系統(tǒng)停止計(jì)數(shù)圖7.2.22例7.2.4ASM圖A←A+10T0初態(tài)SA21T1A30A←0，F(xiàn)←0E←1E←0E←1F←1011系統(tǒng)的操作序列由A2和A3之值決定:接上例啟動(dòng)信號(hào)

S

:A0,F0，下一個(gè)CP

:AA+1。1/16/202364——各種邏輯框的關(guān)系表7.2.4ASM圖的操作序列CP狀態(tài)A3

A2

A1A0E

F條件0T000000

01234T100000001001000110

00

00

00

0A2=0A3=05678T101000101011001110

01

01

01

0A2=1A3=09101112T110001001101010111

00

00

00

0A2=0A3=11314T1T0110011010

01

1A2=1A3=1接上例ASM塊中各種寄存器操作和狀態(tài)轉(zhuǎn)換均發(fā)生在下一個(gè)有效時(shí)鐘邊沿。ASM塊中各種寄存器操作和狀態(tài)轉(zhuǎn)換均發(fā)生在下一個(gè)有效時(shí)鐘邊沿。ASM塊中各種寄存器操作和狀態(tài)轉(zhuǎn)換均發(fā)生在下一個(gè)有效時(shí)鐘邊沿。1/16/202365圖7.2.23算法流程圖與ASM圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系A(chǔ)←A+1A←SR(A)A←A+1A←SR(A)（a）算法流程圖（b）ASM圖兩個(gè)不同的狀態(tài)必須用兩個(gè)不同的狀態(tài)框區(qū)分開(kāi)，因?yàn)樗鼈儾荒茉谕粫r(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)完成兩個(gè)寄存器傳輸操作。轉(zhuǎn)換——各種邏輯框的關(guān)系1/16/2023660A←A+1A←A+1（a）算法流程圖（b）ASM圖1010算法流程圖→ASM圖時(shí)，若判斷框中的轉(zhuǎn)移條件受前一個(gè)寄存器操作的影響，應(yīng)在操作與判斷之間插入一個(gè)狀態(tài)框。轉(zhuǎn)換——各種邏輯框的關(guān)系(a,b)判斷的是+1之后的A(c)判斷的是+1之前的A【注】A←A+1（c）ASM圖A=n1A=nA=n1/16/202367①A2=0,觸發(fā)器E清“0”,并繼續(xù)計(jì)數(shù)。②A2=1,觸發(fā)器E置1,并檢驗(yàn)A3.若A3=0,繼續(xù)計(jì)數(shù);若A3=1,觸發(fā)器F置1,且計(jì)數(shù)器增1,然后,

系統(tǒng)停止計(jì)數(shù).圖7.2.25算法流程圖例7.2.5某數(shù)據(jù)處理器有

2個(gè)觸發(fā)器

E

和

F

及1個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器

A(A3

A2

A1

A0)

。啟動(dòng)信號(hào)

S

使計(jì)數(shù)器A和觸發(fā)器F清“0”,從下個(gè)時(shí)鐘脈沖開(kāi)始,計(jì)數(shù)器增1,直至系統(tǒng)停止工作。系統(tǒng)操作序列由A2和A3之值決定,即：——算法流程圖ASM圖1/16/202368ASM圖算法流程圖——算法流程圖ASM圖流程圖→ASM圖時(shí),若流程圖中的某個(gè)操作與前面的操作在同一個(gè)時(shí)序內(nèi),則該操作在ASM圖中應(yīng)采用條件框;否則,采用狀態(tài)框。1/16/202369<算法規(guī)律>（1）兩個(gè)

r

位的二進(jìn)制數(shù)相乘，乘積為

2r

位。（2）乘數(shù)的第

i

位為

0

時(shí)，第

i

位的部分積為0；乘數(shù)的第

i位為

1

時(shí)，第

i位的部分積是被乘數(shù)。（3）第

i

位的部分積相對(duì)于第

i-1

位的部分積求和時(shí)左移1位。2r+1位2r1位2r位——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202370運(yùn)算過(guò)程算式說(shuō)明

1010被乘數(shù)

×1101乘數(shù)

1010第一部分積

0000

0第二部分積

101000第三部分積

+1010000

第四部分積

10000010乘積=部分積之和表7.4.1

乘法的手算過(guò)程——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202371

運(yùn)算過(guò)程算式說(shuō)明

1010被乘數(shù)

×1101乘數(shù)

00000000累加器初始內(nèi)容

+1010第一部分積

00001010第一部分和

+00000第二部分積

00001010第二部分和+1010000第三部分積

00110010第三部分和

+1010000第四部分積

10000010乘積=第四部分和表7.4.2

累計(jì)部分積的乘法過(guò)程——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202372START=1Q=0Qr=1A←A+MQ←SR(Q)M←SL(M)YYY(a)算法流程圖

NNN——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202373乘法器的算法與結(jié)構(gòu)(b)結(jié)構(gòu)A1…ArAr+1…A2r組合邏輯控制器累加寄存器乘數(shù)寄存器加法命令被乘數(shù)寄存器左移命令右移指令M1…MrMr+1…M2rQ1…Qr——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202374(a)結(jié)構(gòu)M組合電路CNT控制器SCSTARTZQ1…QrA0…Ar乘數(shù)寄存器被乘數(shù)寄存器累加寄存器計(jì)數(shù)器A1圖7.4.1乘法器的算法與結(jié)構(gòu)——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202375乘法器的算法與結(jié)構(gòu)(b)算法流程圖START=1CNT←0,A←0Qr=1A←A+MA←SR(A),Q←SR(Ar,Q)CNT←CNT+1CNT=rYYYNNN——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202376圖7.4.2乘法器的初始結(jié)構(gòu)圖(a)控制器控制器CLRADDSHIFTS1(START)S2(Qr)S3(CNT=3)(b)數(shù)據(jù)處理器并加器MAQCNTA0Qr0——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202377圖7.4.3乘法器的ASM圖START=1CNT←0,A←0Qr=1A←A+MA←SR(A),Q←SR(Ar,Q)CNT←CNT+1CNT=rYYYNNNT0S1S2SHIFT1000T1T211001100CLRADDS3——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202378操作表變量表控制信號(hào)操作變量定義CLRA←0,CNT←0S1STARTADDA←A+MS2QrSHIFTA←SR(A)，Q←SR(Ar,Q)，CNT←CNT+1S3CNT=3表7.4.3乘法器明細(xì)表——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/20237974194功能表置數(shù)11左移01右移10保持00功能M0M1M1,M0真值表101111M0M1SHIFTADDCLR控制信號(hào)操作表控制信號(hào)操作CLRA←0,CNT←0ADDA←A+MSHIFTA←SR(A)Q←SR(Ar,Q)CNT←CNT+1CLRADDSHIFTM1

M0000001

11

111

101寄存器A控制端設(shè)計(jì)——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202380表7.4.474163功能表CRLDPTCP功能0清010并入110保持110保持1111計(jì)數(shù)操作表控制信號(hào)操作CLRA←0,CNT←0ADDA←A+MSHIFTA←SR(A)Q←SR(Ar,Q)CNT←CNT+1110000TPSHIFTADDCLR控制信號(hào)110CLRSHIFTADDCLR控制信號(hào)——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202381M1M0Q3Q3～Q0Q74194B3～B0S3～S0A3～A0CICO74283PTCRQ1Q074163CNTM1M0DSRA74194Q3～Q0D3～D0Q3M1M0M74194Q3～Q0DSRCRLDDSL圖7.4.4乘法器數(shù)據(jù)處理器電路444開(kāi)關(guān)DSHIFTSHIFT&&111&開(kāi)關(guān)CCLRADDDSR開(kāi)關(guān)B開(kāi)關(guān)ALEDLEDLED5V5VS3S2Q1DCP44C1——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202382表7.3.1

控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移表現(xiàn)

態(tài)輸入次

態(tài)輸

出Q1Q0V0V1V2Q1Q0T000000INI00101T10101001110ADDT210001SHIFT10111T31100ASSIGN圖7.3.1控制器ASM圖——SSI設(shè)計(jì)控制器1/16/202383圖7.3.2次態(tài)降維K圖010011V20Q1Q0(a)Q1次態(tài)圖010V00110Q1Q0(b)Q0次態(tài)圖表7.3.1

控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移表——SSI設(shè)計(jì)控制器1/16/202384圖7.3.3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1XDQT門電路C——MSI設(shè)計(jì)控制器1/16/202385圖7.3.4用數(shù)據(jù)選擇器和譯碼器實(shí)現(xiàn)控制器邏輯V0SHIFTT21&1DQ01DQ1A0A1A0A1CPT0T1ADDINIV1D0D1D2D3“0”“0”“1”7415374153譯碼器RRC1C1T3111ASSIGN“1”V2D0D1D2D3——MSI設(shè)計(jì)控制器A1A01/16/202386圖7.3.5用每態(tài)一個(gè)觸發(fā)器法的控制器邏輯圖ASM圖中有4個(gè)狀態(tài)T0,

T1,

T2,

T3

,可分別用4

個(gè)DFF

來(lái)實(shí)現(xiàn),哪個(gè)觸發(fā)器輸出“1”則表示進(jìn)入那個(gè)狀態(tài),即4個(gè)狀態(tài)可分別編碼為1000,0100,0010,

0001.1000010000100001V1V2V01&11&&1&CP&INIADDSHIFTASSIGNT0T2S1DC1F0Q0R1DC1F1Q1R1DC1F2Q2T1T3R1DC1F3Q3控制器初態(tài)可通過(guò)異步置1置0端設(shè)置?！繎B(tài)一觸發(fā)設(shè)計(jì)控制器10000100001000011/16/202387T2(SHIFT)T1T0ADDCLRPLA控制器一般結(jié)構(gòu)框圖PLA寄存器…………輸入輸出D2乘法器的PLA控制器PLAQ1S3S2S1Q2D11/16/202388現(xiàn)態(tài)輸入次態(tài)輸出Q2Q1S1S2S3Q2Q1T0T1T2(SHIFT)CLRADDT000000100000010110010T101010010000111001001T210001001001010000100乘法器狀態(tài)轉(zhuǎn)移表——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/202389PLA編碼表乘積項(xiàng)輸入輸出Q2Q1S1S2S3D2D1T0T1T2(SHIFT)CLRADDP1000----1----P2001---11--1-P301-0-1--1---P401-1-1--1--1P510--0-1--1--P610--1----1--1/16/202390CP→S

穩(wěn)定→C

穩(wěn)定→

,Z,W

等穩(wěn)定→下一個(gè)CP——最小時(shí)鐘周期……數(shù)據(jù)處理器組合邏輯網(wǎng)絡(luò)QmQ1m1…外部輸入激勵(lì)信號(hào)外部輸出激勵(lì)信號(hào)S

XZ狀態(tài)信號(hào)控制器組合邏輯網(wǎng)絡(luò)外部輸入控制信號(hào)外部輸出控制信號(hào)(Q)狀態(tài)寄存器現(xiàn)態(tài)Q激勵(lì)信號(hào)W控制網(wǎng)絡(luò)m1控制信號(hào)C寄存器功能選擇信號(hào)…1/16/2023910011001000001010M10011110運(yùn)算過(guò)程算式說(shuō)明1010被乘數(shù)M乘數(shù)Q

累加器初始內(nèi)容1010第一部分積

第一部分和

00000第二部分積

第二部分和101000第三部分積

第三部分和第四部分積1010000

乘積=第四部分和QA000000001101++++0000000000001010100100000001001100011000×10000010——二進(jìn)制數(shù)字乘法器1/16/2023921.系統(tǒng)設(shè)計(jì)確定輸出和輸入之間的關(guān)系，找到實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法，有時(shí)還要考慮設(shè)計(jì)者的習(xí)慣和要遵循的規(guī)則、技術(shù)規(guī)范;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(wèn)題的步驟;明確設(shè)計(jì)任務(wù)確定初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算法采用比較規(guī)范的形式來(lái)描述系統(tǒng)的邏輯功能。

(1)數(shù)據(jù)處理器設(shè)計(jì)(2)控制器設(shè)計(jì)

導(dǎo)出ASM圖，建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移表。2.邏輯設(shè)計(jì)導(dǎo)出ASM圖，建立明細(xì)表。

1/16/202393(2)用掩模ASIC實(shí)現(xiàn)(即在硅片上制作專用集成電路)；(3)用MCM實(shí)現(xiàn)（MultichipModule：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(shí)現(xiàn)；4.物理設(shè)計(jì)(1)用通用集成電路和印刷電路板實(shí)現(xiàn)；選擇合理的器件和連接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯要求。電路設(shè)計(jì)的結(jié)果常采用兩種方式來(lái)表達(dá)：電路圖方式、硬件描述語(yǔ)言方式。3.電路設(shè)計(jì)1/16/202394(3)次干道無(wú)車或有車(但通車時(shí)間超過(guò)16s)時(shí),主干道交通燈紅→綠,次干道燈綠→黃→紅；例7.4.2

設(shè)計(jì)一個(gè)交通燈管理系統(tǒng)。其功能如下：(1)無(wú)車時(shí),主道綠燈亮,次道紅燈亮；(2)次干道有車時(shí)(傳感器輸出SEN=1),且主干道通車時(shí)間超過(guò)16s時(shí),主道交通燈綠→黃→紅,次道交通燈紅→綠；分析:

次干道綠燈亮的最長(zhǎng)時(shí)間等于主干道綠燈亮的最短時(shí)間,都為16秒(計(jì)時(shí)到,16秒定時(shí)信號(hào)SS=1);黃燈亮?xí)r間4秒(計(jì)時(shí)到,4秒定時(shí)信號(hào)FS=1)。當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)CLR=1,且下一時(shí)鐘有效沿到時(shí),定時(shí)器清零,并重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。——數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(4)黃燈亮?xí)r間設(shè)為4s。1/16/202395一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)交通燈管理系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)圖二、邏輯設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)2.數(shù)據(jù)處理器的設(shè)計(jì)(1)指示燈驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)(2)定時(shí)電路的設(shè)計(jì)1.導(dǎo)出ASM圖3.控制器的設(shè)計(jì)(1)用每態(tài)一個(gè)觸發(fā)器的方法(用SSI)(2)用數(shù)據(jù)選擇器、寄存器、譯碼器的方法(MSI)三、物理設(shè)計(jì)用GAL16V8實(shí)現(xiàn)的電路圖(3)定時(shí)電路的改進(jìn)——數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1/16/202396PG主干道綠燈亮PY主干道黃燈亮PR主干道紅燈亮MG次干道綠燈亮MY次干道黃燈亮MR次干道紅燈亮數(shù)據(jù)處理器交通指示燈驅(qū)動(dòng)電路圖7.4.8交通燈系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)框圖CLR:定時(shí)器清零SS:16s定時(shí)信號(hào)FS:4s定時(shí)信號(hào)ADD:定時(shí)器+1PP

:主干道通行PW

:主干道等待MP

:次干道通行MW:次干道等待——交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FSSSCLR定時(shí)器ADDSEN傳感器輸出控制器通行狀態(tài)控制PP/PWMP/MW1/16/202397圖7.4.9交通燈管理系統(tǒng) ASM圖——交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PPPWMPMW00SENSSCNT0FSSSSEN1101010101FSCNT0CNT0CNT0CNT0CNTCNT+1CNTCNT+1CNTCNT+1CNT0CNTCNT+1PGMRPRMGT0T2PYMRT1T3PRMY1/16/202398表7.4.8數(shù)據(jù)處理器明細(xì)表輸入指示燈狀態(tài)PGPYPRMGMYMRPP100001PW010001MP001100MW001010圖7.4.9驅(qū)動(dòng)電路真值表——交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1/16/202399定時(shí)器的設(shè)計(jì)：SS和FS的定時(shí)長(zhǎng)度分別為16s和4s,定時(shí)器設(shè)計(jì)采用74163。圖7.4.11指示燈驅(qū)動(dòng)邏輯圖PWPPMPMWPGPYMGMY11PRMR圖7.4.10定時(shí)器邏輯圖CP(秒脈沖)ADDCLR74163ABCDCRTPLDQ25VQ3Q1Q0&SSFSCO(4s)(16s)——交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1/16/2023100(1)根據(jù)每態(tài)一觸發(fā)器法設(shè)計(jì)控制器根據(jù)ASM圖可知，系統(tǒng)有4個(gè)狀態(tài)T0,T1,T2,T3(選擇DFF),1000,0100,0010,0001,可直接利用ASM圖得到4個(gè)激勵(lì)信號(hào)、6個(gè)控制信號(hào)為：——交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1/16/2023101交通燈控制器邏輯圖（1）定義1/16/2023102交通燈控制器邏輯圖（2）接上圖1/16/2023103根據(jù)ASM圖,控制器有4個(gè)狀態(tài),T0,T1,T2,T3,編碼00,

01,

10,

11,可選用2個(gè)D觸發(fā)器.00111111MW（T3）轉(zhuǎn)換條件11010101MP（T2）01101010PW（T1）10000000PP（T0）Q0Q1Q0Q1次態(tài)現(xiàn)態(tài)輸入(狀態(tài))控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移簡(jiǎn)表1FS0FSSEN·SSSS+SENFSFS(b)Q0次態(tài)圖(a)Q1次態(tài)圖1010Q1Q01010Q1Q0(2)用數(shù)據(jù)選擇器、寄存器、譯碼器的方法(用MSI)FSFSSS+SENSS·SENFSFSSEN·SSSEN·SS——用MSI實(shí)現(xiàn)交通燈控制器

1/16/2023104MSI設(shè)計(jì)法——控制器邏輯電路&1SSSEND0D1D2D3A1A0Y?741531DC1R1A0A1Y0T01Y1T11Y2T21Y3T3Y1DC1R101FSD0D1D2D3A1A0Y?74153?74139CLKCLRQ0Q11(II)(I)1FS0FSSEN·SSSS+SENFSFS(b)Q0次態(tài)圖(a)Q1次態(tài)圖1010Q1Q01010Q1Q0D0D1D2D3D0D1D2D3——用MSI實(shí)現(xiàn)交通燈控制器

1/16/2023105控制器

CLR

信號(hào)產(chǎn)生電路&&&&111T0T1T2T3FSSSSENCLRCLR1SSSEN1/16/2023106定時(shí)器電路圖——消除電路的冒險(xiǎn)現(xiàn)象——用MSI實(shí)現(xiàn)交通燈定時(shí)器

ADDCLR74163ABCDCRTPLDQ25VQ3Q1Q0CP(秒脈沖）CO&SSFS1

PPPW1

MPMW&C11J1KC11J1KRDRDCNTCLRCPQQ改進(jìn)的定時(shí)器邏輯圖1/16/2023107圖7.4.12控制器電路圖用每態(tài)一個(gè)觸發(fā)器的方法(用SSI)1/16/2023108初始化結(jié)構(gòu)框圖

GAL16V8CPCLRCOQBQASENQ0Q1129345Q2Q3SSFSCNTPGPYMGMYMRPR74163COQBQA1CLRCLRCRLD111918171316151411——用GAL實(shí)現(xiàn)交通燈定時(shí)器

1/16/2023109E:觸發(fā)器輸出16s到指示信號(hào);ASYE:組合輸出15s到指示信號(hào),與E相差一個(gè)時(shí)鐘周期。F:觸發(fā)器輸出4s到指示信號(hào);ASYF:組合輸出3s到指示信號(hào),與F相差一個(gè)時(shí)鐘周期?！肎AL實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)

1/16/20231101/16/2023111圖7.3.6狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖與ASM圖類似，狀態(tài)圖也是實(shí)現(xiàn)控制器的重要依據(jù)——相應(yīng)的控制器電路及VHDL描述見(jiàn)教材P264。V0V0V1V0V0V0V0V2V0V2V1T0T1T2T3T