数字系统实验课件第十次课

1、2008年3月EDA室 卢庆莉 编写数字系统实验的讲课课件数字系统实验的讲课课件2008年3月EDA室 卢庆莉 编写主要授课内容：主要授课内容：二二 、实验四十五、实验四十五 小型数字系统小型数字系统一、数字系统学习要点一、数字系统学习要点2008年3月EDA室 卢庆莉 编写一、一、小型数字系统学习要点小型数字系统学习要点1 1、透彻理解数字系统的含义、透彻理解数字系统的含义 按一定方式联系起来的一群事物所构成的总按一定方式联系起来的一群事物所构成的总体，称为体，称为系统系统。能够对数字信息进行传递，加工，。能够对数字信息进行传递，加工，处理的电子设备，称为处理的电子设备，称为数字系统数字系统

2、。系统与部件的系统与部件的区别区别： 凡是包含控制器凡是包含控制器又能按程序进行操作的系统，又能按程序进行操作的系统，不论其规模大小，均称为不论其规模大小，均称为数字系统数字系统。 没有控制器没有控制器，且又不能按程序进行操作的电，且又不能按程序进行操作的电路，不管其规模大小（如：大容量存储器），均路，不管其规模大小（如：大容量存储器），均不能称为系统，只能算一个不能称为系统，只能算一个部件部件。 2008年3月EDA室 卢庆莉 编写数字系统数字系统由数据处理器和控制器构成：由数据处理器和控制器构成：（1 1）数据处理器的）数据处理器的主要任务：主要任务： 传送数据，并对数据进行运算和判断。传

3、送数据，并对数据进行运算和判断。（2 2） 控制器的控制器的主要任务：主要任务： 保证数据处理器有条不紊地按正确的时序进行保证数据处理器有条不紊地按正确的时序进行数据处理和加工。数据处理和加工。（3 3）控制器有统一的模型，设计方法规范。控制器有统一的模型，设计方法规范。（4 4）数据处理器因处理数据形式繁多，没有统一数据处理器因处理数据形式繁多，没有统一模型，通常采用列明细表的方式来进行设计。模型，通常采用列明细表的方式来进行设计。（5 5） 同步时序电路同步时序电路2008年3月EDA室 卢庆莉 编写2 2、透彻理解数字系统的一般模型、透彻理解数字系统的一般模型数字系统的一般模型数字系统的

4、一般模型 1) 1) 输入接口：完成信号转换、同步化处理等输入接口：完成信号转换、同步化处理等; ; 2) 2) 输出接口：输出整个系统的各类信号输出接口：输出整个系统的各类信号; ; 3) 3) 数据处理器；数据处理器； 4) 4) 控制器控制器2008年3月EDA室 卢庆莉 编写（1 1）数据处理器的构成：）数据处理器的构成：组合网络、寄存器组和控制网络组合网络、寄存器组和控制网络数据处理器模型数据处理器模型2008年3月EDA室 卢庆莉 编写)C,Q,X(FQnn1),(CQXGZ ),(QXRS 数据处理器模型数据处理器模型组合逻辑网络组合逻辑网络QmQ1 m 1输入输入信号信号输出输

5、出信号信号S控制网络控制网络 m 1CXZ2008年3月EDA室 卢庆莉 编写（2 2）明细表（）明细表（操作表操作表和和状态变量表状态变量表） 数据处理器的描述采用明细表来描述它的具体操数据处理器的描述采用明细表来描述它的具体操作过程，也就是把一个时钟期间能同时实现的操作归作过程，也就是把一个时钟期间能同时实现的操作归并在一起，作为一个操作步骤，再用助记符号表示控并在一起，作为一个操作步骤，再用助记符号表示控制信号。制信号。2008年3月EDA室 卢庆莉 编写（3 3）控制器的作用）控制器的作用1)1)实现一个计算任务，必存在一个算法，实现一个计算任务，必存在一个算法，控制器就是用来规定算法

6、的步骤。控制器就是用来规定算法的步骤。2)2)控制器决定算法步骤，必须有记忆能控制器决定算法步骤，必须有记忆能力，所以它是一个时序电路，应包含力，所以它是一个时序电路，应包含存储器。存储器。2008年3月EDA室 卢庆莉 编写组合逻辑网络组合逻辑网络外部输入外部输入控制信号控制信号外部输出外部输出控制信号控制信号S S( (Q Q) )状态状态寄存器寄存器C C现态现态激励信号激励信号控制器模型控制器模型C=FC=F（S S，Q Q） Q Qn+1n+1=G=G（S S，Q Qn n） （4 4）控制器的模型）控制器的模型2008年3月EDA室 卢庆莉 编写（5 5）控制器的描述方法：）控制器

7、的描述方法： 状态转移图或状态转移表状态转移图或状态转移表（6 6）控制器的实现方法：）控制器的实现方法： 1 1）用每态一位触发器的方法；）用每态一位触发器的方法； 2 2）用数据选择器、时序寄存器、译）用数据选择器、时序寄存器、译码器的方法。码器的方法。2008年3月EDA室 卢庆莉 编写3 3、数字系统的描述工具、数字系统的描述工具1 1）方框图；）方框图；2 2）算法流程图）算法流程图 ； 3 3）算法状态机（）算法状态机（ASMASM）图；）图；2008年3月EDA室 卢庆莉 编写4 4、算法流程图与、算法流程图与ASMASM图的区别图的区别算法流程图：算法流程图：一般用来表示算法，

8、它只一般用来表示算法，它只是按照算法的先后顺序排列计算步骤，是按照算法的先后顺序排列计算步骤，与电路的时序无对应关系，不能作为设与电路的时序无对应关系，不能作为设计的依据。计的依据。ASMASM图：图：则与时序有关，是设计控制器则与时序有关，是设计控制器和处理器的依据。和处理器的依据。2008年3月EDA室 卢庆莉 编写5 5、 ASMASM图符号图符号 状态框、判断框状态框、判断框 、条件框、条件框 2008年3月EDA室 卢庆莉 编写2008年3月EDA室 卢庆莉 编写2008年3月EDA室 卢庆莉 编写6 6、ASMASM块块(2)(2)一个一个ASMASM块由一个状态框和若干与之相连的

9、判断块由一个状态框和若干与之相连的判断框和条件框组成；框和条件框组成； (1)(1)一个一个ASMASM块表示一个时钟周期内系统的状态；块表示一个时钟周期内系统的状态；A A0 0T T1 1T T2 20100100 0 1 1001001E ER R 00(3)(3)一个一个ASMASM块内所有操作在同一有效时钟沿完成。块内所有操作在同一有效时钟沿完成。AA0 0和和 R0R0在同一个时在同一个时钟沿完成。钟沿完成。 且在且在T T2 2状态状态的有效时钟沿完成。的有效时钟沿完成。若若E=1E=1，则发出，则发出CLRACLRA，CLRRCLRR的的命令。命令。若若E=0E=0，只发出，只

10、发出CLRACLRA的命令。的命令。CPCP1 1CPCP2 2A A0 0R R0 0A A0 0Z Z控制器控制器R RA A组合电路组合电路X XCLRACLRAE ECLRRCLRR2008年3月EDA室 卢庆莉 编写7 7、ASMASM图的建立图的建立原则原则1 1：在算法的起始点安排一个状态；在算法的起始点安排一个状态；原则原则2 2：必须用状态来分开不能同时实现的必须用状态来分开不能同时实现的寄存器传输操作；寄存器传输操作； 原则原则3 3：判断如果受寄存器操作的影响，应判断如果受寄存器操作的影响，应在它们之间安排一个状态。在它们之间安排一个状态。 从算法流程图从算法流程图 AS

11、M ASM图图2008年3月EDA室 卢庆莉 编写解释：解释：（1）原则）原则22008年3月EDA室 卢庆莉 编写图图12.3.15 算法流程图和算法流程图和ASM图的对应关系图的对应关系(a)算法流程图算法流程图(b)ASM图图2008年3月EDA室 卢庆莉 编写（2 2）原则）原则3 3 由算法流程图转换为由算法流程图转换为ASMASM图时，判断图时，判断 A+1A+1之后之后的值，需要插入一个方框。的值，需要插入一个方框。图图12.3.16 12.3.16 算法流程图和算法流程图和ASMASM图的对应关系图的对应关系2008年3月EDA室 卢庆莉 编写二、实验四十五二、实验四十五 小型

12、数字系统小型数字系统 实验四十五实验四十五 任务更改说明任务更改说明nP219 T1P219 T1n左右灯改为各一个，不循环。（为必做）左右灯改为各一个，不循环。（为必做）n左右灯各为三个时，按左右灯各为三个时，按100100，110110，111111，000000，循环（为选做）。循环（为选做）。题目：题目：某型号汽车尾灯控制电路某型号汽车尾灯控制电路2008年3月EDA室 卢庆莉 编写设计要求设计要求 ： （必做）（必做）（1 1）空闲情况下尾灯均灭。）空闲情况下尾灯均灭。（2 2）按左转键时，）按左转键时，L=1L=1，Z Z左车灯亮。左车灯亮。 L=0L=0后后, ,左尾灯全部左尾灯

13、全部熄灭。熄灭。（3 3）按右转键时，）按右转键时，R=1R=1，Y Y右车灯亮。右车灯亮。 R=0R=0后后, ,右尾灯全部右尾灯全部熄灭。熄灭。（4 4）按警告键后，）按警告键后，JG=1JG=1，左车灯和右车灯全部均变为跳，左车灯和右车灯全部均变为跳灯，即：闪烁。灯，即：闪烁。JG=0JG=0停止闪烁。同时停止闪烁。同时警告信号优先权最高。警告信号优先权最高。说明：汽车的手动键有三档即：左转、右转和空闲。其中，说明：汽车的手动键有三档即：左转、右转和空闲。其中，空闲键为空档，用机械手段实现，所以设计电路时不必考空闲键为空档，用机械手段实现，所以设计电路时不必考虑空闲键的存在。虑空闲键的存

14、在。题目：某型号汽车尾灯控制电路某型号汽车尾灯控制电路2008年3月EDA室 卢庆莉 编写设计要求：设计要求：（1 1）空闲情况下尾灯均灭。）空闲情况下尾灯均灭。（2 2）按左转键时，）按左转键时，L=1L=1，Z Z1 1Z Z2 2Z Z3 3左车灯按照左车灯按照Z Z1 1Z Z2 2Z Z3 3=100=100，110110，111111，000000方式循环，方式循环， ZZ=0ZZ=0后后,左左尾灯全部熄灭。尾灯全部熄灭。（3 3）按右转键时，）按右转键时，R=1R=1，Y Y1 1Y Y2 2Y Y3 3右车灯按照右车灯按照Y Y1 1Y Y2 2Y Y3 3=100=100，1

15、10110，111111，000000方式循环，方式循环， ZZ=0ZZ=0后后, ,左左尾灯全部熄灭。尾灯全部熄灭。 （4 4）按警告键后，）按警告键后，JG=1JG=1，左车灯和右车灯全部均变为跳，左车灯和右车灯全部均变为跳灯，即：闪烁。灯，即：闪烁。JG=0停止闪烁。同时警告信号优先权最停止闪烁。同时警告信号优先权最高。高。选做：选做：2008年3月EDA室 卢庆莉 编写拿到课题之后，设计之前你应该做些什么？拿到课题之后，设计之前你应该做些什么？1 1、认真阅读设计要求、认真阅读设计要求 。2 2、利用网络查找汽车尾灯的资料。、利用网络查找汽车尾灯的资料。 通过网络了解汽车尾灯的工作原理

16、以及它的通过网络了解汽车尾灯的工作原理以及它的用途。以便建立正确的设计方案。用途。以便建立正确的设计方案。3 3、也可以通过对开过车的人，最好是和专职的老司、也可以通过对开过车的人，最好是和专职的老司机进行交谈，通过交谈来了解汽车尾灯的常识。机进行交谈，通过交谈来了解汽车尾灯的常识。着重强调：着重强调：对世间的任何一件事物，你要记住千对世间的任何一件事物，你要记住千万不要想当然，而是要用科学的态度去观察和分万不要想当然，而是要用科学的态度去观察和分析事物，这样才能得出正确的答案。析事物，这样才能得出正确的答案。2008年3月EDA室 卢庆莉 编写汽车尾灯设计之前要建立这样两个概念：汽车尾灯设计

17、之前要建立这样两个概念：第一：汽车的灯光系统和汽车的系统没有关系，第一：汽车的灯光系统和汽车的系统没有关系，有没有灯光系统不影响汽车行驶。有没有灯光系统不影响汽车行驶。第二：了解汽车尾灯的用途。第二：了解汽车尾灯的用途。 只有清楚地了解了这两点，才能正确地设只有清楚地了解了这两点，才能正确地设计出汽车尾灯控制系统。计出汽车尾灯控制系统。2008年3月EDA室 卢庆莉 编写汽车补充知识：汽车补充知识：1 1、汽车总系统、汽车总系统指左脚所踩踏板指左脚所踩踏板,它是把发动机输它是把发动机输出的扭距与驱动出的扭距与驱动轮分离和结合轮分离和结合指右手搬动的档指右手搬动的档位位,它可改变齿轮它可改变齿轮

18、的传动比的传动比,以调整以调整车速车速2008年3月EDA室 卢庆莉 编写2 2、汽车的电路系统、汽车的电路系统 随着科学技术的不断发展，电子随着科学技术的不断发展，电子控制已经渗透到汽车的每一个系统中，控制已经渗透到汽车的每一个系统中，并且起到越来越重要的作用。而灯光并且起到越来越重要的作用。而灯光系统又是整个汽车电路系统中一个极系统又是整个汽车电路系统中一个极为小的系统为小的系统。 2008年3月EDA室 卢庆莉 编写3 3、灯光系统的用途、灯光系统的用途（1 1）对内的用途：照明）对内的用途：照明（2 2）对外的用途：）对外的用途： 1 1）说明驾驶员的行驶状态；）说明驾驶员的行驶状态；

19、 2 2）表示汽车在夜间和雾天的定位；）表示汽车在夜间和雾天的定位； 3 3）夜间道路的照明。）夜间道路的照明。2008年3月EDA室 卢庆莉 编写4 4、灯光系统介绍、灯光系统介绍（1 1）车内照明灯介绍）车内照明灯介绍 仪表灯仪表灯 ； 阅读灯；阅读灯； 后备箱灯；后备箱灯；其它灯（例如：门内灯）其它灯（例如：门内灯）2008年3月EDA室 卢庆莉 编写（2 2）车外组合灯介绍）车外组合灯介绍 示宽灯（小灯）；示宽灯（小灯）； 远光灯和近光灯（大灯）；远光灯和近光灯（大灯）； 雾灯；雾灯； 方向灯；方向灯； 刹车灯；刹车灯； 倒车灯；倒车灯； 警告灯警告灯( (或称双跳灯或称双跳灯) )；

20、2008年3月EDA室 卢庆莉 编写5 5、汽车尾灯的位置、汽车尾灯的位置2008年3月EDA室 卢庆莉 编写6 6、汽车尾灯的操动杆原理、汽车尾灯的操动杆原理2008年3月EDA室 卢庆莉 编写2008年3月EDA室 卢庆莉 编写2008年3月EDA室 卢庆莉 编写流程图：流程图：设计方案有二种设计方案有二种：第一种方案：第一种方案：设计要求设计要求 ： （必做）（必做）（1 1）空闲情况下尾灯均灭。）空闲情况下尾灯均灭。（2 2）按左转键时，）按左转键时，L=1L=1，Z Z左左车灯闪亮。车灯闪亮。 L=0L=0后后, ,左尾灯全左尾灯全部熄灭。部熄灭。（3 3）按右转键时，）按右转键时，

21、R=1R=1，Y Y右右车灯闪亮。车灯闪亮。 R=0R=0后后, ,右尾灯全右尾灯全部熄灭。部熄灭。（4 4）按警告键后，）按警告键后，JG=1JG=1，左，左车灯和右车灯全部均变为跳灯，车灯和右车灯全部均变为跳灯，即：闪烁。即：闪烁。JG=0JG=0停止闪烁。同停止闪烁。同时警告信号优先权最高。时警告信号优先权最高。2008年3月EDA室 卢庆莉 编写第二种方案：第二种方案：2008年3月EDA室 卢庆莉 编写两方案的比较：两方案的比较：P373 12.8P373 12.8题题2008年3月EDA室 卢庆莉 编写系统结构图：系统结构图：说明：说明：汽车的手动键有三档即：左转、右转和空闲。其汽

22、车的手动键有三档即：左转、右转和空闲。其中，空闲键为空档，用机械手段实现，所以设计电路时中，空闲键为空档，用机械手段实现，所以设计电路时不必考虑空闲键的存在。不必考虑空闲键的存在。2008年3月EDA室 卢庆莉 编写ASMASM图：图：2008年3月EDA室 卢庆莉 编写ASMASM图：图：2008年3月EDA室 卢庆莉 编写求解激励方程求解激励方程： （采用（采用每态一位）每态一位）2008年3月EDA室 卢庆莉 编写输出方程输出方程: :2008年3月EDA室 卢庆莉 编写2008年3月EDA室 卢庆莉 编写2008年3月EDA室 卢庆莉 编写用用VHDLVHDL实现汽车尾灯控制器实现汽车

23、尾灯控制器library IEEE;-(counter5)library IEEE;-(counter5)use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entity entity kzqkzq is is Port ( clk ,clr: in std_logic Port ( clk ,

24、clr: in std_logic; ; L ,R, JG : in std_logic L ,R, JG : in std_logic; ; Z,Y : out std_logic Z,Y : out std_logic ); );end end kzqkzq; ;architecture a of architecture a of kzqkzq is is type statetypetype statetype is ( S0 , S1 , S2 , S3); is ( S0 , S1 , S2 , S3); signal present_state ,next_state :stat

25、etype signal present_state ,next_state :statetype; ; signal x:std_logic_vector(1 downto signal x:std_logic_vector(1 downto 0); 0);beginbeginx= L & R;x when S0 = Z =0; Z =0; Y =0; Y =0; if JG =1then if JG =1then next_state next_state = S3 ; = S3 ; elsif elsif JG =0then JG =0then if x=“00” then if

26、 x=“00” then next_state next_state = S0 ; = S0 ; elsif elsif x=“01”then x=“01”then next_state next_state = S2 ; = S2 ; elsif elsif x=“10”then x=“10”then next_state next_state = S1 ; = S1 ; else else next_state next_state = S3 ; when S1 = Z =1; Z =1; Y =0; Y =0; next_state next_state = S0; When S2 = Z=0; Z=0; Y=1; Y=1; next_state next_state = S0 ; When S3= Z=1; Z=1; Y=1; Y=1; next_state next_state = S0 ; = S0 ; end case; end case;End process state_combEnd process state