数字逻辑电路第八章

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 不断生成和发送控制信号序列，控制信息处理 控制单元 不断生成 控制信号序列 单元不断地执行特定的操作 不断地执行特定的操作； 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 接收来自信息处理单元的状态信息， 接收来自信息处理单元 下一个需执行的操作。 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 接收外来的控制信息， 接收外来的控制信息 作序列。 作序列。
（a） 状态信息表 ）
（b） 操作表 ）
8.1.2 控制单元 的构成 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 数字系统执行的复杂任务转化成一个操作和测试序 执行的复杂任务 称为“算法” 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， 用控制单元产生与操作序列相对应的控制信号序列， 控制信号序列 每一个控制信号控制信息处理单元 信息处理单元执行与算法相关的一个 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， 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。 据流实施时间上和空间上的正确的控制。 S
例 交通灯控制系统
灯 灯 传感器
关注各信号：电平 脉冲 同步/异步 脉冲、 关注各信号：电平/脉冲、同步 异步
N/S Red
N
WT W 传感器 灯
E
ET
S
灯
N/S Yellow N/S Green E/W Red
(a) 示意图
E
W
控 制 器
ET
E/W Yellow E/W Green ET/WT
N
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、 本章将介绍采用方框图、定时图、逻辑流程图、ASM图、 方框图 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 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。 数字系统电路。 对数字系统进行分析和设计时， 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 控制单元CU和信息处理单元两大部分 其中： 两大部分。 要划分成控制单元 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， 信息处理单元对信息进行不同的处理和传递， 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 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 电路中是否包含有控制单元，是区别数字系统与功能部 控制单元 数字系统 标志。凡是包含控制单元且能按顺序进行操作的系统， 控制单元且能按顺序进行操作的系统 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。 皆为数字系统。
8.3.2 定时图 (时序图、时间关系图 时序图、 时序图 时间关系图)
在数字系统中，信息的传送、 在数字系统中，信息的传送、处理或存储都是在 时序进行协调 特定时间意义上的操作，是按照严格的时序 特定时间意义上的操作，是按照严格的时序进行协调 和同步的。系统各模块之间， 和同步的。系统各模块之间，模块内部各功能部件之 各功能部件内部的各逻辑门电路或触发器之间， 间、各功能部件内部的各逻辑门电路或触发器之间， 输入信号、输出信号和控制信号的对应关系及特征， 输入信号、输出信号和控制信号的对应关系及特征， 通常用时序图来描述。 通常用时序图来描述。 时序图的描述也是一个逐步细化的过程。 时序图的描述也是一个逐步细化的过程。从描述 系统输入、输出之间的定时关系的简单时序图开始， 简单时序图开始 系统输入、输出之间的定时关系的简单时序图开始， 随著系统设计的不断深入， 随著系统设计的不断深入，时序图将不断地反映新出 现的系统内部信号的时序关系，直到最终一个完整的 现的系统内部信号的时序关系，直到最终一个完整的 时序图。 时序图。
8.3 数字系统设计的描述工具
8.3.1 方框图
设计系统首先应当建立模型，方框图是描述模型最常用、 设计系统首先应当建立模型，方框图是描述模型最常用、 建立模型 最重要的工具。 最重要的工具。 方框图不涉及过多的技术细节，直观易懂，具有： 方框图不涉及过多的技术细节，直观易懂，具有： 结构化设计——系统结构清晰和易理解性，易构思设计 系统结构清晰和易理解性， 结构化设计 系统结构清晰和易理解性 等特点。 等特点。 在方框图中， 在方框图中， • 每一个方框定义了一个信息处理、 方框定义了一个信息处理 每一个方框定义了一个信息处理、存储或传递的子系统 或模块）； （或模块）； • 方框内用文字、表达式、例行符号、图形表示 表示该模块的 方框内用文字、表达式、例行符号、图形表示该模块的 名称或主要功能； 名称或主要功能； • 方框之间用指向线相连， 指向线相连 方框之间用指向线相连，表示模块之间的数据流或信息 流的信息通道及方向 信息通道及方向， 流的信息通道及方向，连线旁的文字或符号是通道的名 称、功能或信息类型。 功能或信息类型。 方框图的设计过程是自顶而下、逐步细化。 方框图的设计过程是自顶而下、逐步细化。
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 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， 功能部件级。电路分析和设计是建立在真值 逻辑功能，属功能部件级。电路分析和设计是建立在真值 卡诺图、逻辑方程式、状态表和状态图的工具基础上 的工具基础上， 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， 试凑法” 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 若由功能部件级组成一个功能复杂、规模较大的数字 功能部件级组成一个功能复杂 系统时 虽然在理论上仍可以把它看成是一个大型时序逻 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， 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， 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 状态表等逻辑工具来描述和设计 卡诺图和 等逻辑工具来描述和设计， 如果还用卡诺图和状态表等逻辑工具来描述和设计，则很 甚至无法达到完整地描述其逻辑功能。 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： 方法的特点： 原始、受限制最多、效率与效果均欠佳、局限性大。 原始、受限制最多、效率与效果均欠佳、局限性大。
信息处理单元可按功能又分解成若干个子处理单元， 信息处理单元可按功能又分解成若干个子处理单元，每 可按功能又分解成若干个 个子处理单元完成某个局部操作，如计数器、寄存器、 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。 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。 下图为数字系统的基本模型。
S
WT
(b)
图
t1 t2 (c) 图
t3 t4
8.3.3 逻辑流程图
也称流程图，它用约定的几何图形 矩形 菱形、 矩形、 也称流程图，它用约定的几何图形(矩形、菱形、椭圆 形等)、指向线和简练的文字说明， 形等 、指向线和简练的文字说明，描述系统的基本工作过 程。 逻辑流程图的描述对象是控制单元 并且以系统时钟 控制单元， 逻辑流程图的描述对象是控制单元，并且以系统时钟 来驱动整个流程 这一点与由事件驱动的软件流程图不同。 整个流程。 来驱动整个流程。这一点与由事件驱动的软件流程图不同。
第八章 数字系统设计
8.1 8.1.1 8.1.2 8.2 8.2.1 8.2.2 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.4 8.4.1 8.4.2 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 控制单元 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) 时序图、 定时图 时序图、时间关系图 逻辑流程图 ASM图 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
8.1 数字系统的基本模型
控制流
外部输入的 控制信号
输入 接口
控 制 信 号
控制 单元
状 态 信 号
输出 接口
外部输出的 控制信号
时钟
输入信息
输入 接口
信息处 理单元
数据流
输出 接口
输出信息
数字逻辑 系统
8.1.1 信息处理单元的构成
内部寄存器组
通用寄存器 专用寄存器 存储器 数据通路： 数据通路： 总线结构 专用线
外部输入 控制信息 算法的现态
C
外部输出 控制信息 算法的次态
Y
组合逻辑网络
y
Q 状态 寄存器
τ
8.1.2 控制单元 的构成 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 控制单元的核心是时序电路，本质上是一个状态寄存 是时序电路 状态寄存器主要有两个功能——寄存控制单元的现态， 寄存控制单元的现态 器。状态寄存器主要有两个功能 寄存控制单元的现态， 次态。 生成次态 采用触发器作为状态寄存器的元件。 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： 控制单元有两种不同的实现方法： 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 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。 控制信号；特点：速度高、牵一发而动全身。 2. 微程序方法 微程序方法——计算机的每一条指令的功能通过执 计算机的每一条指令的功能通过执 计算机的每一条指令的功能通过 微程序)来实现的 行一个微指令序列(微程序 来实现的。 行一个微指令序列 微程序 来实现的。设计好的微程序被 固化在只读存储器中，这个存储器称为控制存储器 特点： 控制存储器。 固化在只读存储器中，这个存储器称为控制存储器。特点： 速度低、但设计、修改及扩充容易。 速度低、但设计、修改及扩充容易。 显然，采用不同的实现方法， 显然，采用不同的实现方法，将影响控制单元的组成 和结构。在现代计算机控制器中，常常两者混用。 和结构。在现代计算机控制器中，常常两者混用。