VHDL硬件设计语言考试要点

PLD (Programmable logic device)
可编程逻辑器件
单片机(Microcontroler)
一个集成在一块芯片上的完整计算机系统
PLC (Programmable logic Controller )
专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置
DSP(Digital Signal Processing )
数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。

数字系统概念
数字系统是对数字信息进行存储，传输，处理的电子系统
特定性能的逻辑部件
频率计中的测试板
电压表中的主控板
计算机中的内存板
独立的实用装置
数字表
频率计
大型计算机
是否有控制部件作为区分数字系统和逻辑功能部件的重要标志
数字系统的实现方法
SSI （Small Scale Integrated circuites）最多12门
MSI （Medium Scale Integrated circuites）12至99
LSI （Large Scale Integrated circuites）100至9999
VLSI （Very Large Scale Integrated circuites）10000至99999
ASIC（Application Specific Integrated Ciruits）
用户全定制
用户半定制
数字系统的优点
稳定性
精确性
可靠性
模块化
数字系统设计分类
选用通用集成电路芯片构成系统
应用可编程逻辑器件实现数字系统
设计专用集成电路芯片
数字系统的基本模型
数字系统的动态模型
采用传统的数字电路描述方法建立的系统模型称为数字系统的动态模型
✓状态转换图
✓状态方程
✓时序图
✓真值表
✓卡诺图
数字系统的算法模型
将系统实现的功能看成某种运算，然后再将这些运算分解为一系列子运算（功能）。

然后按照一定规律，顺序地或并行地进行这些基本运算，从而实现复杂的系统功能。

◆含有若子运算，这些子运算实现数据信息的传输，存储或加工处理
◆具有相应的控制序列，控制子运算按一定规律有序进行
数字系统的基本结构
数字系统设计的一般步骤
◆确定系统功能
◆将系统功能划分为相对独立又相互联系的运算
◆各子运算之间的信息流通
◆如何有规则地控制各子运算
数字系统设计的基本步骤
◆功能确定
◆系统的描述
◆算法的设计
◆结构的选择
◆电路的实现
数字系统设计举例
试设计一乘法电路，其中输入信号A=a1a2a3a4;
A=b1b2b3b4;输出信号为M,请根据数字系统设计的一般步骤,写出每步需要确定那些操作.
数字系统的设计方法
自上而下的设计方法
该方法是一种由抽象的定义到具体的实现，由高层次到低层次的转换，逐步求精的方法。

其
描述的层次分别为：
系统级描述：主要针对系统总的技术指标进行描述（也称算法级描述）
功能级描述：系统分解后各功能模块的组成和相互联系
器件级描述：详细的逻辑电路图
数字系统的设计方法
自下而上的设计方法
该方法也是一种多层次的设计方法，该方法从现成的数字器件或子系统开始。

其基本过程为：
根据用户要求，对现有的器件或较小的系统加以修改，扩大和相互连接，直到构成能满足用户要求的新系统为止
数字系统的设计方法
自关键部件开始设计
该方法是自上而下和自下而上两种方法的结合和变形。

自上而下地考虑系统可能采用的方案和总体结构，在关键部件设计完成后，配以适当的辅助电路及控制电路，从而实现整个系统。

数字系统的设计方法
系统信息流驱动设计
该方法是根据数据处理单元的数据流或根据控制单元的控制流的状况和流向进行系统设计的总称。

系统数据流驱动设计
该方法根据系统技术的要求，分析为实现这一要求，待处理数据所需进行的各种变换，即以数据的流程为思路来推动系统设计的进行。

系统控制流驱动设计
该方法以控制过程为系统设计的中心。

设计者从用户要求出发，以控制单元应该实施的控制过程入手，确定系统控制的流程，该方法适用于控制类型的系统。

设计方法举例
某学校有一台备用交流发电机，该机在市电发生停电故障时，立即启动并发电。

该发电机在开始工作2分钟后测量转速，如转速正常，则继续工作，否则发出告警信号。

在正常工作阶段，不断测量转速和输出电压，以此调整供油量，使该发电机能够正常工作。

若转速或输出电压发生异常，则告警，并在三分钟后停止，请设计该发电机工作的流程图
数字系统的描述方法-算法流程图
工作块
是一个矩形块，块内用简要的文字来说明应进行的一个或若干个操作及应输出的信号。

工作块中的操作与实现这一操作的硬件有着良好的对应关系 判别块
判别块为菱形，块内给出了判别变量和判别条件
条件块
条件块为一带横杆的矩形块，条件块总源于判别块的一个分支，仅当该分支条件满足时，条件块表明的操作才执行，且是立即执行。

开始块和结束块
开始和结束块均用椭圆表示，用以标示算法流程图的首、尾。

但当流程图的首、尾比较明确时，可以省略该部分。

第二章数字系统算法方法
数字系统算法主要考虑因素
逻辑指标
该指标是数字系统最重要的指标，该指标应能表达系统应完成的逻辑功能。

非逻辑指标
逻辑功能以外的其他非逻辑约束因素，如工作速度、系统功能可靠性、成本价格等 在实际的设计中，需要合理定义逻辑指标和非逻辑指标，两种指标是一种相互制约关系，必须同时考虑，互相协调。

数字系统算法主要考虑因素
硬件结构对算法的影响
由于系统的最终实现由硬件完成，因此在设计算法时应考虑硬件结构的因素。

如使用MSI,SSI时，要求硬件结构尽量简单，使用芯片尽量少
在使用PLD，HDPLD时，可不必考虑器件的逻辑资源，可采用“拼硬件的方式”换取其它性能
此外，需注意系统算法同软件算法的区别：系统算法由于需要用硬件实现，因此算法与硬件结构应有很好的对应，即具有可实现性；而软件算法由计算机实现，某些运算或操作硬件很难完成
数字系统算法推导方法- 跟踪法
跟踪法就是按照已经确定的系统功能，由控制要求逐步细化、逐步具体化、从而导出系统的算法。

Example：
设计一个简易5位串行码数字锁，该锁在收到5位与规定相符合的二进制数码时打开，使相应的灯亮。

数字系统算法推导方法–归纳法
归纳法就是先把比较抽象的设计要求具体化，然后再进行一般规律的归纳，由此导出系统算法。

具体做法是首先假设一组特定数据，从解决具体数据处理和数据变换入手，从中发现普遍规律，最后求导待设计系统的完整算法流程图。

Example：
试设计一个顺序排队电路的算法流程图
数字系统算法推导方法–划分法
划分法的基本原则就是把一个运算比较复杂的系统划分成为一系列简单的运算，而后通过基本的算术运算和基本的逻辑运算来完成。

Example：
试导出z=(a-b)*(c+d)算法流程图。

数字系统算法推导方法–解析法
解析法主要针对一些难以划分的计算过程，其特点是当遇到难以分解的计算过程，则用数学分析对其进行数值近似，转换成多项式或某种迭代过程，进而画出其算法流程图。

如在算法流程中仍然包含很多复杂运算，则解析过程可以继续进行。

Example：
试导出y= 算法流程图。

数字系统算法推导方法–综合法
综合法就是将上述几种推导算法组合起来运用。

Example：
试导出z=(a-b)*(c+d)算法流程图。

数字系统的算法结构
顺序算法结构
特点：在执行算法过程中，同一时间只进行一种或一组相关的子运算。

并行算法结构
特点：在执行算法过程中，同一时间一条路径在进行运算，而这些同时执行的运算操作之间几乎没有依赖关系。

流水线操作结构
该结构是针对连续输入的数据流而言。

它将整个运算过程分解成若干段，系统在同一时间可对先后输入的数据流元素进行不同段的运算。

数据处理单元的设计
数据处理单元又称受控电路。

在系统算法中已为它规定明确的逻辑功能，这些功能概括起来有数据存储、算术和逻辑运算、数据传送和变换。

步骤：
1、画出数据处理单元的逻辑框图
2、画出构成数据处理单元的详细逻辑电路图
3、确定控制信号的时序
控制单元的设计
数据处理单元正确有序地工作是在控制单元的正确有序的管理下进行。

在完成数据处理单元的设计后，相应的控制时序就已经确定，用硬件构成电路以实现上述控制时序信号就是控制单元的任务。

步骤：
1、把各种描述模型归一化为描述控制器工作过程的ASM图。

即明确系统的工作状
态、判别分支、状态输出和条件输出
2、选择控制器硬件的结构类型
3、状态分配
4、导出激励函数和输出函数
5、画出逻辑电路图
控制单元的设计-系统控制方式
集中控制
在数字系统中，如果仅有一个控制器，由它控制整个算法的执行，则称集中控制型。

分散控制
系统中没有统一的控制器，全部控制功能分散在各个子运算中完成。

半集中控制
系统中配有系统控制器，但对各子运算又在各自的控制器控制下进行工作
控制单元的设计-ASM图
由于算法流程图在描述系统时，仅规定了操作的顺序，并未严格规定各操作的时间及操作之间的时序关系以及未对控制器的输出信号作出具体规定。

ASM图是用来描述控制器在不同的时间内应完成的一系列操作，指出控制器的状态转换，转换条件以及控制器的输出。

与算法流程图的区别：
算法流程图是一种事件驱动的流程图，而ASM图具体为时钟CP驱动的流程图。

前者的工作块可能对应ASM图中一个或几个状态块，即控制器的状态。

ASM图状态块的名称和二进制代码分别标注在状态块的左、右上角。

ASM图用以描述控制器控制过程的，它强调的不是系统进行的操作，而是控制器为进行这些操作应该产生的对数据处理单元的控制信号或对系统的外部输出，因此，在ASM图的状态块中，往往不再说明操作，只明确表明应有的输出。

引例：含1统计电路
输入：X=xn-1xn-2 (x0)
输出：Z=X中1的个数。