第十二章数字系统设计基础演示文稿

第十二章数字系统设计基础演示文稿现在是1页\一共有45页\编辑于星期四优选第十二章数字系统设计基础现在是2页\一共有45页\编辑于星期四2.构成要素

方框：定义一个子系统，实现某种数据处理或传送等功能。在方框内描述其功能（文字表达式等）

；带箭头的直线：各子系统之间的信息通道。箭头表示信息传输方向。标注：表示主要信息通道的名称、功能或信息类型。系统说明书：给每个子系统尽可能详细的说明。现在是3页\一共有45页\编辑于星期四系统输出输入……（a）一般方框图控制器C数据采集输入数据处理C输出数据显示数据打印（b）系统分解图举例：例：12.3.1给出了一个智能仪表方框图的设计和细化过程。现在是4页\一共有45页\编辑于星期四数据处理（C）进一步细化方案控制器C数据采集输入C输出数据显示数据打印现在是5页\一共有45页\编辑于星期四（d）数据处理模块的细化输入/输出接口CM寄存器A寄存器ALUCCC图12.3.1一个智能仪表的方框图现在是6页\一共有45页\编辑于星期四二、算法流程图1.作用描述算法。2.基本符号入口点；出口点；传输框；判断框A←A+BPBA（d）判断框（a）入口点（b）出口点（c）传输框图12.3.2流程图符号注意：按照事件的先后次序排列的，与电路的时序无对应关系。现在是7页\一共有45页\编辑于星期四例12.3.2函数求值,计算Z=4×X1+2×X2+X3的值。任务：输入数据X串行输入序列X1，X2，X3，计算完成后，提供输出Z。解：根据题意，可以采用多种方法实现。第一种方法：设置3个寄存器分别存储X1，X2，X3，然后对X1乘4，X2乘2,其中乘2操作用寄存器左移实现，最后执行3个数的求和运算。现在是8页\一共有45页\编辑于星期四A←X1B←X2C←X3A←SL(A)B←SL(B)A←SL(A)A←A+B+C

由以上分析可以看出，这种方法的电路结构复杂，需要3个寄存器，但算法简单。现在是9页\一共有45页\编辑于星期四第二种方法：设置两个寄存器A和B，寄存器A存储X1，并执行乘4操作，寄存器B存储X2，并执行乘2操作，然后执行A←A+B，，最后再将A与X3相加，输出Z。A←X1B←X2A←SL(A)B←SL(B)A←SL(A)A←A+BA←A+X3

由以上分析可以看出，寄存器结构简化了，然而算法变复杂了。现在是10页\一共有45页\编辑于星期四第三种方法:系统中只有一个寄存器A存放计算结果,算法变的更复杂,其系统结构图和流程图如图12.3.3和图12.3.4所示:A0AA+XASL(A)AA+XASL(A)AA+XA=X1A=2X1A=2X1+X2A=4X1+2X2Z=4X1+2X2+X3算法流程图现在是11页\一共有45页\编辑于星期四图11.3.3系统结构图例11.3.2绝对值计算，计算图12.3.6算法流程图A←0,C←0X<0A←A-X1X<0A←A-XA←A+XX<0A←A-XC←1A←A+XC←11010A←A+X0Z控制器CA组合电路XTSC现在是12页\一共有45页\编辑于星期四举例：累加器是适合于进行多次运算的电路，其结构图如下图所示。若图中的组合电路由加法器构成，则该累加器用来实现多个数的相加求和。现在是13页\一共有45页\编辑于星期四在累加器工作之前，将累加寄存器置0（即：A=0）。送入第一个数据B1之后，第一个求和命令（时钟）把A加B之和送到累加寄存器，由于在此之前，A=0，所以第一次求和结果是将B1送入累加寄存器。再送入第二个数据B2，第二个求和命令把原先存于累加寄存器的数据B1同第二个数据B2相加的和送入累加寄存器。再送入第三个数据B3，第三个求和命令把原先求和命令又以新形成的和取代以前的和存于累加寄存器∙∙∙∙∙∙，这个累加过程一直继续到加完第四个相加的数。请列出它的算法流程图。现在是14页\一共有45页\编辑于星期四现在是15页\一共有45页\编辑于星期四三、算法状态机图（ASM图）

1.作用严格按系统时序来描述系统的工作过程。

2.ASM图符号

(1)状态框

(2)条件框(3)判断框现在是16页\一共有45页\编辑于星期四寄存器操作或输出符号二进制代码（a）状态框（b）实例R←0START011T3图12.3.7状态框状态框中的操作通常用RTL语言表示，若用助记符代替，则该助记符是控制器发出的控制命令。（1）状态框T3:R←0;用助记符表示为:CLRR控制命令。现在是17页\一共有45页\编辑于星期四条件分支分支01分支分支01

条件图12.3.8判断框判断框表示判断变量对控制器的影响，因此判断框中的条件通常为处理器的状态信号或外部输入控制信号。（2）判断框现在是18页\一共有45页\编辑于星期四X1X20×11

T1T2T3T410（a）真值表图解分支表示01T1X1T2T3T4X201（b）变量优先级分支表示图12.3.9判断框3个分支表示现在是19页\一共有45页\编辑于星期四图12.3.11条件框举例A0T1T201001001ER←0图12.3.10条件框寄存器操作或输出条件框为ASM图所特有的，条件框内的操作和输出是在给定条件下，判断条件被满足时才发生的，所以条件框的输入必定与判断框的分支相连。（2）条件输出框

现在是20页\一共有45页\编辑于星期四3.ASM块2、一个ASM块由一个状态框和若干与之相连的判断框和条件框组成；1、一个ASM块表示一个时钟周期内系统的状态；A0T1T201001001ER←03、一个ASM块内所有操作在同一有效时钟沿完成。A←0和R←0在同一个时钟沿完成。且在T2状态的有效时钟沿完成。若E=1，则发出CLRA，CLRR的命令。若E=0，只发出CLRA的命令。CP1CP2A0R0A0Z控制器RA组合电路XCLRAECLRR现在是21页\一共有45页\编辑于星期四A0T1T301001001AA+1ER←0T2CP1CP2CP3发CLRA发CLRA发CLRRA0A0AA+1E=1E=0发INCA发INCAR0Z控制器RA组合电路XCLRAECLRRINCA现在是22页\一共有45页\编辑于星期四(3)ASM图与控制器状态转移图的关系；状态转移图只能表述控制器状态转移情况，但无法表示处理器完成何种操作以及输出变量为何值。图12.3.12ASM块A←A+1T1T201001001ER←0FT4100T30110100110001101000/1001/101×/11EF/INCACLR图12.3.13等效状态转移图现在是23页\一共有45页\编辑于星期四例1：一个数字系统的数据处理器有2个触发器E和F及1个二进制计数器A，计数器的各个位分别用A4、A3、A2、A1标记，A4为最高位，A1为最低位。启动信号S使计数器A和触发器F清“0”，从下一个时钟脉冲开始，计数器增1，一直到系统停止工作为止。系统的操作序列由A3和A4之值决定，即：①A3=0，触发器E清“0”，并继续计数。②A3=1，触发器E置“1”，并检验A4，若A4=0,继续计数；若A4=1，触发器F置“1”，E置“1”,系统停止计数。现在是24页\一共有45页\编辑于星期四图12.3.114例12.3.3ASM图A←A+10T0初态SA31T1A40A←0，F←0E←1E←0E←1，F←1011现在是25页\一共有45页\编辑于星期四A4A3A2A1EF条件状态0000000T1100010000T100100000T1现在是26页\一共有45页\编辑于星期四现在是27页\一共有45页\编辑于星期四例1:对于下图ASM图，从S=1开始，试填写计数器A的状态转移表。现在是28页\一共有45页\编辑于星期四4.ASM图的建立从算法流程图ASM图

原则1：在算法的起始点安排一个状态；

S01算法流程图T0S01ASM图S01A0算法流程图现在是29页\一共有45页\编辑于星期四原则2：必须用状态来分开不能同时实现的寄存器传输操作；

AA+1ASR(A)ASM图算法流程图AA+1ASR(A)现在是30页\一共有45页\编辑于星期四原则3：如果判断框中的转移条件受前一个寄存器操作的影响，应在它们之间安排一个状态。T0A=n01AA+1T0A=n01AA+1ASM图算法流程图现在是31页\一共有45页\编辑于星期四图11.3.13算法流程图A←A+10T0SA31T1A40011A←0，F←0T2E←1E←1，F←1E←0T0SA←A+1T11A400E←1E←00A←0，F←01图11.3.14ASM图A3T2E←1，F←11现在是32页\一共有45页\编辑于星期四现在是33页\一共有45页\编辑于星期四例2:对于下图ASM图，试从T0状态且S=1开始，填写该图的操作序列表。0010T10110T20110T11010T21000T11100T21111T0现在是34页\一共有45页\编辑于星期四1）图12.3.14和图12.3.18的ASM图的差异分析:现在是35页\一共有45页\编辑于星期四将图12.3.14ASM图与图12.3.18ASM图相比不同点在于图12.3.14在A←A+1的后面插入了一个方框，这说明了判断是在A+1的次态。而图12.3.18的判断是在A+1的现态。这两张ASM图之间的差异可以从它们各自的ASM图表操作序列可见。2）比较两个ASM表现在是36页\一共有45页\编辑于星期四现在是37页\一共有45页\编辑于星期四5、ASM图推导处理器明细表和控制器状态转移图RESET1WAITRESET0ADATA,BUSY0ASR(A)BUSY1YA,BUSY0BEGINEND0110控制信号：C1控制信号：C2控制信号：C3控制信号：C5控制信号：C4状态信号：S1状态信号：S2现在是38页\一共有45页\编辑于星期四

RESET表示系统复位信号。BEGIN为外部送入系统的启动信号。END为系统结束命令。BUSY表示系统是否忙。现在是39页\一共有45页\编辑于星期四操作表状态变量表控制信号操作状态变量定义C1RESET1

WAITS1S2BEGINENDC2R