数字系统设计的核心知识--精品PPT课件
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《数字系统设计》PPT课件
慎重地加以选择。总的原则是，所选择的方案既要能满足系统的
要求，又要结构简单，实现方便，具有较高的性能价格比。
a
7
第7章 数字系统设计
2. 逻辑划分，导出系统框图
系统总体方案确定以后，可以根据数据子系统和控制子系统 各自的功能特点，将系统从逻辑上划分为数据子系统和控制子系 统两部分，导出包含有必要的数据信息、 控制信息和状态信息的 结构框图。逻辑划分的原则是， 怎样更有利于实现系统的工作原 理，就怎样进行逻辑划分。 为了不使这一步的工作太过复杂，结 构框图中的各个逻辑模块可以比较笼统、比较抽象，不必受具体 芯片型号的约束。
a
5
第7章 数字系统设计 7.1.2 数字系统设计的一般过程
系统调研 ，确定总体 方案
逻辑划分 ，导出系统 框图
功能分解 ，构造数据 子系统
算法设计 ，实现控制 子系统
图 7 - 2 数字系统设计过程
a
6
第7章 数字系统设计 1. 系统调研， 确定总体方案
接受一个数字系统的设计任务后，首先应对设计课题进行充
第7章 数字系统设计
第7章 数字系统设计
7.1 数字系统设计概述 7.2 控制子系统的设计工具 7.3 控制子系统的实现方法 7.4 数字系统设计举例
a
1
第7章 数字系统设计
7.1 数字系统设计概述
1. 什么是数字系统
在数字电子技术领域内，由各种逻辑器件构成的能够实现某
种单一特定功能的电路称为功能部件级电路，例如前面各章介绍
分的调研， 深入了解待设计系统的功能、使用环境与使用要求，
选取合适的工作原理与实现方法，确定系统设计的总体方案。 这
是整个设计工作中最为困难也最体现设计者创意的一个环节。因
数字系统设计ppt课件
数字系统设计与CPLD应用
29
硬件描述语言 HDL Hardware Description Language
用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的 方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与 传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。
Abel HDL AHDL Verilog HDL VHDL Hardware C
数字系统设计与CPLD应用
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例如，一个二选一的选择器的电原理图如图0－4所示
图0－4 二选一选择器的电原理
数字系统设计与CPLD应用
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用VHDL语言描述的二选一选择器如下：
ENTITY mux IS
PORT(d0，d1，sel ：IN BIT ；
q ：OUT BIT) ；
END mux ；
ARCHITECTURE connect OF mux IS
数字系统设计与CPLD应用
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自底向上(Bottom to Up)的主要设计步 第一步:选择逻辑元、骤器件。
由数字电路的基本知识可知，可以用与非 门，或非门，D触发器，JK触发器等基本逻 辑元、器件来构成一个计数器。设计者根据 电路尽可能简单，价格合理，购买和使用方 便及各自的习惯来选择构成六进制计数器的 逻辑元、器件。
当今的产品开发设计人员通常
采用建立数字系统的算法模型来
设计数字系统。
数字系统设计与CPLD应用
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§ 0.2 数字系统设计方法论
• 数字系统设计的两个分支：
1.系统硬件设计
2.系统软件设计。
• 随着计算机技术的发展和硬件描述语言HDL（ Hardware Description Language）的出现 ，硬件设计方法又有了新的变化。
第8章数字系统设计基础PPT课件
1. 加法器：74283
2. M，Q，A：寄存器 型号 74194 位数：4
3. C：D 触发器
4. CNT：计数器 型号 74163 功能：清0，计数
功能：
3.ASM 图 控制信号 S1：启动信号 S2：寄存器 Q 的 Q0 位 S3：计数器的溢出信号
4. 控制器
CLR、ADD 和 SHIFT 作 为对处理器发出的命令
当乘数的第 i 位为 0 时，第 i 位的部分积为被乘数左移 i–1 位。
【例1】
【例 1】 的M：被乘数寄存器 Q：乘数寄存器 A：累加器 C：进位寄存器 CNT：计数器
CAQ串联得到 2 r +1位的右移 位寄存器
算法：被乘数不动，部 分积之和向右移动。
5. 处理器的实现的实现（以4×4为例） 操作表
寄存器 M 控制用手动开关，寄存器 Q 的 M1 控制用手动开关
操作函数 从处理器操作表得： 寄存器A：M1=ADD + CLR；M0=ADD + CLR + SHIFT
与门G2：B1= CLR 与门G1：B0 = ADD 寄存器Q：M0 = SHIFT 计数器 CNT：CR = CLR；SH = SHIFT
8.4.1 简单计算机构成 1. 功能：(1)加法运算，(2)数据存取，(3)手动输入程序 2. 存储器：存储容量 268RAM；地址 6位；数据线 8位 3. CPU：4条指令：存数、加法、取数、条件转移。
4、计算机逻辑图
说明：(1)当k=1时，运行程序； (2)当k=0时，手动输入程序和数据到RAM中。 (3)当reset 端输入一个负脉冲时，程序开始运行。
8.4.2 CPU设计
1、基本设想： (1).IR为指令寄存器
数字电子系统设计1PPT课件
（2）设置三个绿色指示灯 直行（） 左转（ ） 右转（ ）
设置一个红色指示灯，表示该方向全部禁止。 （3）车辆通行时间为40秒，各方向设置倒计时显示。 （4）行人过马路时需要提出申请，且只有车辆直行时才可响 应，时间为60秒
（5）警察可随时指定系统停在某一状态。 （6）暂不考虑联网要求。
这样可以得出系统功能框图， 图中应标出系统的输入、输出及简单的控制关系，同时可画出 结构图。
数字系统设计
2.1 概述 数字系统——是一个能完成一系列复杂操作的逻辑单元。 而数字系统设计，首先要找到描述数字系统的方法。 我们已会的方法如：表达式、真值表、状态图、时序图等。 而这节我们将进一步介绍两种描述数字系统操作功能的方法: 即用流程图和描述语言来描述数字系统功能，然后再将这些描
述转变为MDS图来设计数字系统。
用逻辑图、状态图、流程图等来描述数字系统的方法称为系统 模型描述法。
它适用于相对简单的系统。 当系统的输入、输出变量增多，状态很多时，多采用描述语言 法，称该描述语言表达的算法为系统的算法模型。
设计一个系统（尤其是大系统）必须从高层次的系统级入手， 基本过程如下：
先进行方案框图的 设计、分析与论证
控制系统示意框图及结构图如下图所示：
行人请求 警察控制
控制器
定时器
时钟
控制系统示意框图
指示灯
通行 等待 禁止
结构图
2.2.2 确定系统方案 这个过程中应该有意识地把系统分为控制和受控两大部分。 其唯一的依据是系统的设计要求。 先画出简单的流程图，再将它逐步细化为描述系统操作的详细 流程图。 流程图的符号类似于软件设计中的符号，有三种：
常用方框图、流程图或描述语言来描述系统方案。
（3）受控器的设计
设置一个红色指示灯，表示该方向全部禁止。 （3）车辆通行时间为40秒，各方向设置倒计时显示。 （4）行人过马路时需要提出申请，且只有车辆直行时才可响 应，时间为60秒
（5）警察可随时指定系统停在某一状态。 （6）暂不考虑联网要求。
这样可以得出系统功能框图， 图中应标出系统的输入、输出及简单的控制关系，同时可画出 结构图。
数字系统设计
2.1 概述 数字系统——是一个能完成一系列复杂操作的逻辑单元。 而数字系统设计，首先要找到描述数字系统的方法。 我们已会的方法如：表达式、真值表、状态图、时序图等。 而这节我们将进一步介绍两种描述数字系统操作功能的方法: 即用流程图和描述语言来描述数字系统功能，然后再将这些描
述转变为MDS图来设计数字系统。
用逻辑图、状态图、流程图等来描述数字系统的方法称为系统 模型描述法。
它适用于相对简单的系统。 当系统的输入、输出变量增多，状态很多时，多采用描述语言 法，称该描述语言表达的算法为系统的算法模型。
设计一个系统（尤其是大系统）必须从高层次的系统级入手， 基本过程如下：
先进行方案框图的 设计、分析与论证
控制系统示意框图及结构图如下图所示：
行人请求 警察控制
控制器
定时器
时钟
控制系统示意框图
指示灯
通行 等待 禁止
结构图
2.2.2 确定系统方案 这个过程中应该有意识地把系统分为控制和受控两大部分。 其唯一的依据是系统的设计要求。 先画出简单的流程图，再将它逐步细化为描述系统操作的详细 流程图。 流程图的符号类似于软件设计中的符号，有三种：
常用方框图、流程图或描述语言来描述系统方案。
（3）受控器的设计
ch81数字系统设计PPT课件
3，8 COM
（b）
12
数字系统设计
16 15 14 13 12 11 10 9 VDD f g a b c d e
CD4511 B C LT BI LE D A VSS 12 3 4 5 6 7 8
（a）
输入
显示
LE BI LT D C B A
L H H LLLL
0
L H H L L LH
1
L H H L LHL
输出低电平电流
VIH(min) VIL(max) VOH(min) VOL(max) IIH(max) IIL(max) IOH(max)
IOL(max)
传输延迟时间
tpd
2V 0.8V 2.7V 0.5V 20μA －0.4mA 0.4mA －8mA
15nS
3.5V 1.5V 4.6V 0.05V 0.1μA －0.1μA 0.51 mA
T
1 0 1－ 03
R 12R 2C 1ln 20. 3 1－ 3 0 6 0 .74k Ω 3
取R2=15kΩ，则R1=13kΩ，由9.1kΩ 固定电阻和10kΩ可变电阻组成。
7
数字系统设计
分频电路
16 15 14 13 12 11 10 9 VDD CR CP1NH CO Q9 Q4 Q8
CD4017 Q5 Q1 Q0 Q2 Q6 Q7 Q3 VSS 12 3 4 56 7 8
CD4518 1CP 1EN 1Q0 1Q1 1Q2 1Q3 1CR VSS 12 3 45 6 7 8
个位计数器输出
10Hz信号输入
清零信号输入
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数字系统设计
g f COM a b 10 9 8 7 6
a
（b）
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数字系统设计
16 15 14 13 12 11 10 9 VDD f g a b c d e
CD4511 B C LT BI LE D A VSS 12 3 4 5 6 7 8
（a）
输入
显示
LE BI LT D C B A
L H H LLLL
0
L H H L L LH
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L H H L LHL
输出低电平电流
VIH(min) VIL(max) VOH(min) VOL(max) IIH(max) IIL(max) IOH(max)
IOL(max)
传输延迟时间
tpd
2V 0.8V 2.7V 0.5V 20μA －0.4mA 0.4mA －8mA
15nS
3.5V 1.5V 4.6V 0.05V 0.1μA －0.1μA 0.51 mA
T
1 0 1－ 03
R 12R 2C 1ln 20. 3 1－ 3 0 6 0 .74k Ω 3
取R2=15kΩ，则R1=13kΩ，由9.1kΩ 固定电阻和10kΩ可变电阻组成。
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数字系统设计
分频电路
16 15 14 13 12 11 10 9 VDD CR CP1NH CO Q9 Q4 Q8
CD4017 Q5 Q1 Q0 Q2 Q6 Q7 Q3 VSS 12 3 4 56 7 8
CD4518 1CP 1EN 1Q0 1Q1 1Q2 1Q3 1CR VSS 12 3 45 6 7 8
个位计数器输出
10Hz信号输入
清零信号输入
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数字系统设计
g f COM a b 10 9 8 7 6
a
【学习课件】第五讲：数字系统设计方法
BIN=[A7..A0]; BCD=[B7..B0];
EQUATIONS
WHEN (BIN>=0)&(BIN<=9) THEN BCD=BIN ;
系统
子功能块1
子功能块2 …… 子功能块n
逻辑块11 逻辑块12 …… 逻辑块1m 逻辑块21 ……
逻辑块111 ……
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3
⑵.编码
对同一个编码对象（输入、输出和内部状 态），存在多种编码方案。由于编码方案决定 其后逻辑设计的复杂程度，因此在设计时应考 虑选择最佳编码方案的问题。
一个 n 位的二进制数，共有 2n 个编码， 可以表示 2n 种可能性。设计中使用到的编码 称为有效编码，未使用的编码称为无效编码。
编码效率记为：η η=有效编码数 / 2n
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4
编码效率η反映了器件资源的利用率，编 码效率越高，意味着能用较少的资源去实现所 要求的逻辑功能。
进行编码时应注意的问题： • 编码的位数（二进制位数）应尽量短。 • 区别对待I/O编码和内部状态编码： I/O 编码要便于和外界接口匹配，并不要求位数最 短；内部状态编码位数应尽量短。在I/O编码 和内部状态编码之间可以插入一个格式转换接 口。 • 优化编码结构。 • 对无效编码进行适当的处理。
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5
3. 设计准则
⑴. 分割准则：
• 分割后最底层的模块应适合用逻辑语言进 行表达。 • 相似的功能应尽量设计成共享模块，以减 少重复设计，提高设计效率。 • 接口信号线最少：以交互信号线最少的地 方为边界划分模块。 • 结构匀称。 • 通用性好，易于移植。
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⑵. 系统的可观测性 系统的可观测性问题是指：在系统设计中，
数字系统设计的核心知识
06
数字系统的发展趋势与挑 战
数字系统的未来发展方向
人工智能与机器学习
数字系统将更加智能化，能够自主地处理和分析大量数据，提供 更精准的决策支持。
云计算与边缘计算
云计算技术将进一步发展，同时边缘计算将在数据处理和实时响应 方面发挥重要作用。
物联网与5G通信
物联网设备将更加普及，5G通信技术将为大数据传输和处理提供 更高效的支持。
数字系统面临的挑战与问题
数据安全与隐私保护
随着数据量的增长，如何确保数据安全和保护用户隐私成为重要 挑战。
系统复杂性与可维护性
数字系统的复杂度越来越高，如何提高系统的可维护性和稳定性是 亟待解决的问题。
技术更新与兼容性
数字技术发展迅速，如何确保系统能够适应新技术并保持兼容性是 一个挑战。
如何应对数字系统的发展趋势与挑战
从整体到局部的设计方法
详细描述
自顶向下的设计方法是从整体到局部的设计思路，首先确定系统的总体结构和 功能，然后逐步细化各个模块的具体实现。这种方法有助于保证系统的整体性 和模块之间的协调性。
自底向上的设计方法
总结词
从局部到整体的设计方法
详细描述
自底向上的设计方法是从具体到抽象的设计思路，首先从最底层的硬件或软件模 块开始设计，然后逐步集成和组合各个模块，形成完整的系统。这种方法有助于 充分利用现有资源，提高设计的灵活性和可扩展性。
寄存器在数字系统中用于暂存数据、控制信号或地址信息等。
03
存储器
存储器是数字系统中用于存储大量二进制数位的电路。
存储器由多个存储单元组成，每个存储单元可以ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ储一个二进制位。
存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等类型，其中 RAM可以随时读写，而ROM只能写入一次数据。
12-1-0第十二章数字系统设计基础1
这些传送信号决定数据处理器的传送操作。
二､ 数据处理器的描述方法
明细表是用来描述处理器的具体操作过程，也就 是把一个时钟期间能同时实现的操作归并在一起，作 为一个操作步骤，再用助记符号表示控制信号。
明细表有两个子表：操作表和状态变量表。
操作表：列出在控制信号下，数据处理器应 实现的操作。
状态变量表：定义数据处理器输出的状态 变量和信号。
似。
（2）ASM图（算法状态机）
它是一种硬件流程图语言，用状态块、判 断块、条件输出块､图形符号和文字符号等来描 述数字系统控制器，在不同时间内完成一系列 的操作。
（3）MDS图（备有记忆文件的状态图）
它与我们熟悉的状态图十分相似，是一种简练并 扩展功能的状态图，以状态图的形式来描述数字系统 控制器的控制过程。
1
组合网络 寄存器组
控制网络
… …
…
输入 信号
X
Qm
m
组合逻辑网络
Z G(X ,Q,C)
Z
输出 信号
S R(X ,Q)
… 1
m
控制网络
S
C
图11.1.2 数据处理器模型
1. 组合网络
功能：在控制信号的 作用下，组合逻辑网 络根据内部寄存器的 现态（Qn）和输入信 息（X），综合生成寄 存器的次态、输出信 息（Z）、和状态信号 （S）。最后，实现要 求的数据加工和处理 操作。
Top-Down的基本设计步骤： 1）明确设计系统的逻辑功能。
2）确定系统方案（注：这一步是最难、 最有创造性的一步，也是设计的关键阶段）。
3）逻辑划分
把系统划分为数据处理器和控制器两部分， 并具体地规定它的逻辑要求。
4）设计数据处理器
设计原则：数据处理器的组成应该是简单、易 控制的。
二､ 数据处理器的描述方法
明细表是用来描述处理器的具体操作过程，也就 是把一个时钟期间能同时实现的操作归并在一起，作 为一个操作步骤，再用助记符号表示控制信号。
明细表有两个子表：操作表和状态变量表。
操作表：列出在控制信号下，数据处理器应 实现的操作。
状态变量表：定义数据处理器输出的状态 变量和信号。
似。
（2）ASM图（算法状态机）
它是一种硬件流程图语言，用状态块、判 断块、条件输出块､图形符号和文字符号等来描 述数字系统控制器，在不同时间内完成一系列 的操作。
（3）MDS图（备有记忆文件的状态图）
它与我们熟悉的状态图十分相似，是一种简练并 扩展功能的状态图，以状态图的形式来描述数字系统 控制器的控制过程。
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组合网络 寄存器组
控制网络
… …
…
输入 信号
X
Qm
m
组合逻辑网络
Z G(X ,Q,C)
Z
输出 信号
S R(X ,Q)
… 1
m
控制网络
S
C
图11.1.2 数据处理器模型
1. 组合网络
功能：在控制信号的 作用下，组合逻辑网 络根据内部寄存器的 现态（Qn）和输入信 息（X），综合生成寄 存器的次态、输出信 息（Z）、和状态信号 （S）。最后，实现要 求的数据加工和处理 操作。
Top-Down的基本设计步骤： 1）明确设计系统的逻辑功能。
2）确定系统方案（注：这一步是最难、 最有创造性的一步，也是设计的关键阶段）。
3）逻辑划分
把系统划分为数据处理器和控制器两部分， 并具体地规定它的逻辑要求。
4）设计数据处理器
设计原则：数据处理器的组成应该是简单、易 控制的。
数字系统设计.ppt
无需厂家参与设计生产 定来设义定：。是可这一重样种复就集设可成计以电，由路改设，变计它芯人的片员逻的自辑功行功能编能程按把照一用个户数对字器系件统编程 “集成”可在通一过片EDPALD软上件，在而实不验必室去进请行芯操片作制造厂商设计和制 作专用的速集度成/功电耗路/面芯积片不了及。全定制/半定制设计的数字系统
智能
逻辑运算
系统
存
输入
储 器
控制 电路
控制信号 数据 条件信号 处理
输出 接口
2019/12/31
GUET School of Information & Communications
数据输出
12
▪ 输入电路 ➢ 完成信号的转换：模数转换器、译码器、数据选 择器和寄存器 ➢ 输入应该包含缓冲电路
▪ 输出电路 ➢ 输出驱动与执行 ➢ 译码器、显示电路、寄存器和数模转换器来实现 ➢ 输出应该锁存
2019/12/31
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13
Communications
▪ 数据处理器 ➢ 主要包括逻辑运算与算术运算 ➢ 数字系统不可缺少的部分
▪ 控制器 ➢ 协调数字系统工作的部件 ➢ 数字系统不可缺少的部分 ➢ 输入：时钟/条件信号/全局信号/…… ➢ 输出：控制信号/相对于时钟的信号(时序)/……
▪ 时钟电路 ➢ 产生使系统工作的同步全局信号——时钟
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Communications
▪ 复杂数字系统的组成
➢ 控制器 ➢ 若干子系统
子
子
子
系
系
系
智能
逻辑运算
系统
存
输入
储 器
控制 电路
控制信号 数据 条件信号 处理
输出 接口
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数据输出
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▪ 输入电路 ➢ 完成信号的转换：模数转换器、译码器、数据选 择器和寄存器 ➢ 输入应该包含缓冲电路
▪ 输出电路 ➢ 输出驱动与执行 ➢ 译码器、显示电路、寄存器和数模转换器来实现 ➢ 输出应该锁存
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Communications
▪ 数据处理器 ➢ 主要包括逻辑运算与算术运算 ➢ 数字系统不可缺少的部分
▪ 控制器 ➢ 协调数字系统工作的部件 ➢ 数字系统不可缺少的部分 ➢ 输入：时钟/条件信号/全局信号/…… ➢ 输出：控制信号/相对于时钟的信号(时序)/……
▪ 时钟电路 ➢ 产生使系统工作的同步全局信号——时钟
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Communications
▪ 复杂数字系统的组成
➢ 控制器 ➢ 若干子系统
子
子
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系
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