文档介绍：第八章数字系统设计
数字系统的基本模型
信息处理单元的构成
控制单元CU的构成
数字系统的设计方法
自顶向下的设计和自底向上的集成
数字系统逻辑设计的基本步骤
数字系统设计的描述工具
方框图
定时图(时序图、时间关系图)
逻辑流程图
ASM图
设计举例
寄存器传送语言
最简便的寄存器传送语言
设计举例
第八章数字系统设计
Digital System Design
组合逻辑电路和时序逻辑电路所完成的是某些特定的逻辑功能,属功能部件级。电路分析和设计是建立在真值表、卡诺图、逻辑方程式、状态表和状态图的工具基础上,主要依赖于设计者的的熟练技巧和经验,称“试凑法”。
若由功能部件级组成一个功能复杂、规模较大的数字系统时,虽然在理论上仍可以把它看成是一个大型时序逻辑电路,仍可以采用时序电路的设计方法进行设计,但实际上,由于数字系统的数字变量和内部的状态变量很多,如果还用卡诺图和状态表等逻辑工具来描述和设计,则很难、甚至无法达到完整地描述其逻辑功能。因为这种设计方法的特点:
原始、受限制最多、效率与效果均欠佳、局限性大。
第八章数字系统设计
Digital System Design
本章将介绍采用方框图、定时图、逻辑流程图、ASM图、MDS图、寄存器传送语言等新的系统描述工具来设计复杂的数字系统电路。
对数字系统进行分析和设计时,通常把系统从逻辑上主要划分成控制单元CU和信息处理单元两大部分。其中:
信息处理单元对信息进行不同的处理和传递,
控制单元保证信息处理单元按规定的微操作序列处理数据。
电路中是否包含有控制单元,是区别数字系统与功能部件的标志。凡是包含控制单元且能按顺序进行操作的系统,皆为数字系统。
第八章数字系统设计
Digital System Design
控制单元——不断生成和发送控制信号序列,控制信息处理单元不断地执行特定的操作;
——接收来自信息处理单元的状态信息,用以选择下一个需执行的操作。
——接收外来的控制信息,用以改变正在执行的操作序列。
信息处理单元可按功能又分解成若干个子处理单元,每个子处理单元完成某个局部操作,如计数器、寄存器、译码器等都可以做为一个典型的个子控制单元。
下图为数字系统的基本模型。
数字系统的基本模型
输入接口
输入信息
外部输入的控制信号
输入接口
外部输出的控制信号
输出接口
输出信息
输出接口
控制单元
控制信号
状态信号
控制流
数据流
数字逻辑系统
信息处理单元
时钟
信息处理单元的构成
有P位,表示可执行的P种基本操作,且可并行、或互斥
状态信息
S
控制网络
τ1
τm
•••
τ
传送脉冲
控制信号
C
Q1
τ1
内部寄存器组
•••
x1
xk
输入信息
•••
z1
zk
输出信息
组合逻辑网络
Qm
τm
通用寄存器
专用寄存器
存储器
数据通路:
总线结构
专用线
有 R位,表示执行时的R 种状态
状态信息表及操作表举例
S的编码位
该编码位定义的状态标志
S1
S1: = (x >0)
S2
S2: = (x =0)
S3
S3: = (x <0)
Sr
Sr: = (Q1=x) ∨(Q2=x)
控制信号C
执行的操作
C1: = CLR
Q1 ← 0
C2: =ADD
Q1←Q1+ x
C3: = SUB
Q1 ← Q1 - x
Cp: = INC
Q1 ←Q1+ 1
•••
•••
(a) 状态信息表
•••
•••
(b) 操作表
控制单元CU的构成
将数字系统执行的复杂任务转化成一个操作和测试序列,称为“算法”。
用控制单元产生与操作序列相对应的控制信号序列,每一个控制信号控制信息处理单元执行与算法相关的一个操作。所以,控制单元的基本功能具体上是对指令流和数据流实施时间上和空间上的正确的控制。
组合逻辑网络
Q 状态
寄存器
算法的现态
算法的次态
外部输入控制信息
外部输出控制信息
S
C
τ
y
Y
控制单元CU的构成
控制单元的核心是时序电路,本质上是一个状态寄存器。状态寄存器主要有两个功能——寄存控制单元的现态,生成次态。采用触发器作为状态寄存器的元件。
控制单元有两种不同的实现方法:
1. 硬件逻辑方法——用逻辑电路生成每一个微操作的控制信号;特点:速度高、牵一发而动全身。
2. 微程序方法——计算机的每一条指令的功能通过执行一个