第十一章数字系统设计概述

第十一章：数字系统设计概述

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数字系统概述

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用算法流程图描述数字系统

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数字系统设计的基本过程

本章从数字系统设计的基本概念开始,首先介绍数字系统设计的模型、结构以及设计方法,然后讨论用算法流程图描述数字系统的基本方法,最后说明数字系统设计的基本步骤。11.1数字系统概述

11.1.1数字系统的基本模型与结构所谓数字系统，是指交互式的以离散形式表示的具有存储、传输、处理信息能力的逻辑子系统的集合物。一台数字计算机，就是一个最完整的数字系统。

图11.1.1数字系统描述图数字系统Z

X

CP1数字系统的基本模型

在设计数字系统时，一般采用数字系统的动态模型和算法模型。数字系统的动态模型是指在数字逻辑设计中，采用传统的状态转换图，状态转换表，状态方程，输出方程，时序图，真值表，卡洛图等描述工具的数字系统称为动态模型。

数字系统的算法模型的基本基本思想是将系统实现的功能看做应完成的一种运算。算法模型通常有以下两大特征：

（1）含有若干个子运算，子运算实现对要处理数据或信息的传输存贮和处理。

（2）具有相应的控制序列，控制子运算按一定的规律有序进行。

例11.1.1

设一序列检测系统的状态转换图和状态转换表如图11.1.1所示，使给出它的算法模型。

图1.1.2序列检测系统的状态转换图和状态转换表

现态Si(t)状态Si(t+1)输出Z(t)x(t)=0x(t)=1

S0S0/0S1/1S1S0/1S1/0S1X/ZS0S11/10/10/01/0

解：实现该系统功能应由两个存贮单元R1和R2，分别存放输入信号x(t+1)和x(t)的数据，系统应有一个比较器COM，用于对x(t+1)和x(t)的数据进行比较。按比较结果的不同，使Z输出不同的值.（图11.1.3）

(1)当x(t+1)等于x(t)，输出Z=0。

(2)当x(t+1)不等于x(t)，输出Z=1。

图11.1.3序列检测系统算法流程图开始i=0Z=0R1X(i)ii+1R2R1R1X(i)Z=0比较R1R2Z=1R1=R2?

NOYES

图11.1.4数字系统的基本结构

2数字系统的基本结构

该图由输入部件、输出部件及逻辑系统组成。存储部件和处理部件之间通过传输线相互连接。传输信息、处理信息、存储信息都要花费时间。当信息被传送到处理部件且被处理时，存储部件则保存并源源不断地供给信息，而计算的结果又被送回到存储部件。

在数字系统中，这种活动是周期性的。存储部件获得信息（状态时间A）；该信息传送到处理部件进行加工处理（状态时间B）；加工处理后的信息又被传送到存储部件（状态时间C）；之后又开始另一个周期。11.1.2数字系统的设计的方法

1、

自上而下的设计方法

图11.1.5自上而下的设计过程系统级系统设计功能级逻辑设计器件级

2、

自下而上的设计方法

图11.1.6自下而上的设计过程

系统级(高级)子系统功能级扩充互联逻辑级数字逻辑器件级11.2用算法流程图描述数字系统

11.2.1算法流程图的符号与规则1.工作块：

图11.2.1工作块与硬件实现的对应关系之一CNT0D3D2D1D0CrQ3Q2Q1Q0CP

D3D2D1D0LDQ3Q2Q1Q0CPCTRCTR0000(A)

(B)(C)

图11.2.2工作块与硬件实现的对应关系之二RbBRmMTERM=1CPBMDDQQRbRm(A)(B)2.判断块：

图11.2.3判别块CNT=8?CNT0A1.A0CNTCNT+1FD0FD1FD001001NOYES3.条件块：

图11.2.4条件块BDB右移R0CNT=4?NOYES块1块2块3

4.开始与结束图11.2.5开始块与结束块开始结束11.2.2实例

试设计一个米里型同步模4可逆计数器，推导出该计数器的算法流程图。（1）当控制信号是x=0，计数器对输入脉冲CP进行累加计数，并在累加4个脉冲时，输出进位Z=1。（2）当控制信号是x=1，计数器对输入脉冲CP进行累减计数，并在累减4个脉冲时，输出借位Z=1。当x=0时：RRi+1(i=0—3)

当x=0时：RRi+1(i=0—3)

图11.2.6模4可逆计数器示意图模4可逆计数器CPZX

图11.2.7模4可逆计数器状态图SiS1S0S2S3S2S0S3S1X/Z0/00/00/00/11/01/01/01/1

图11.2.9模4可逆计数器逻辑图1J10K111J20K2=1&3&2&4“1”CPX控制单元数据处理单元

图11.2.8模4可逆计数器的算法流程图开始结束X=0CNT=4?CNT=0?CP=0清计数器R取CP取XR(R)-1R(R)+1置进位Z=1置进位Z=1YESNOYESNONONOYESYES11.3数字系统的设计

数字系统的设计，由于设计一开始要仔细分析总体设计任务，所以是由顶向下的设计过程。

数字系统的设计任务

（1）对设计任务进行分析，将所设计的系统合理地划分为若干个子系统，使其分别完成较小的任务。

（2）设计系统控制器，以控制和协调各子系统的工作。

（3）对各子系统功能部件进行逻辑设计。

（4）对复杂的数字系统，还要对各子系统的连接关系及数据流的传送方式进行设计。

子系统划分的原则是：

（1）对所要解决的总体任务是否已全部清楚地描述出来。

（2）对所要解决的问题是否有更清楚更简单的描述。

（3）各子系统所承担的分任务是否清楚、明确，是否有更清楚的划分方式。

（4）各子系统之间的相互关系是否明确，它们之间的控制关系是怎样的。

（5）控制部分与被控制部分是否清楚、明确，它们之间的控制关系是怎样的。

设计一个四进制乘法器，输入信号A=、B=，输出乘积为M.

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系统逻辑功能的确定.图11.3.1

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系统的描述.

3

算法设计.图11.3.2

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选择合适的电路结构.图11.3.3

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具体逻辑电路的实现.图11.3.4图11.3.1乘法器模型乘法电路C84MAB4图11.3.2四位二进制乘法的算法流程图开始结束i=3?A左移一位ii+1MA*bi+Mi=0,M=0YESNO图11.3.3乘法逻辑框图MUXYCON=3COUNTM=4CONTROLRmADDRaAND0123A0A1B0B1B2B3A3A2A1A0MCaCmCPCrQ0Q1888811.3.4乘法器数据处理单元逻辑电路图Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0D7D6D5D4D3D2D1D0S0S1SlD0D1D2D3S0S1SlD0D1D2D3控制单元PTCr74LS161LDQ1Q2A0A1D0D1Y1D2D3D0D2Y2D2D3&CPCON=3MCP1CrCP174LS15374LS00111CrCrCP2C0