数字系统设计ppt课件

图0－2 六进制计数器状态转移图
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第三步: 根据状态转移图列出状态变化表
触发器 状态 计数脉冲
表0—1 触发器状态变化表
Q2
Q1
Q0
前一状 当前状 前一状 当前状 前一状 当前状
态
态
态
态
态
态
1
0
0
0
0
0
1
2
0
0
0
1
1
1
3
0
1
1
1
1
1
4
1
1
1
1
1
0
5
1
1
1
0
0
0
6
1
0
0
0
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。
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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。
4).完成整个系统的硬件设计、画出电原理图。
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例0－1 设计一个六进制计数器
采用自底向上(Bottom－Up)的设计方法在 各功能模块的电路设计中的体现最能说明问题 。
所以摆在设计者面前的一个首要问题是如何 选择现有的通用逻辑元、器件构成六进制计数 器。
那么，设计六进制计数器将首先从选择逻辑 元、器件开始。
END connect；数字系统设计与CPLD应用
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实体
ENTITY mux IS ： ： ：
END mux ；
结构体
ARCHITECTURE struct
OF mux IS ： ： ：
END struct；
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利用HDL语言设计系统硬件的方法，归 纳起来有以下几个特点：
• 数字系统的硬件、软件设计可以在一开始就进行 通盘考虑，进行早期仿真，大大提高了系统设计 的效率。
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0.2.1 数字系统设计方法的三种模式
自顶向下 （Top－Down）
功能级 行为级 寄存器传输级 逻辑级 版图级
在中间相遇
自底向上
（Bottom－Up）
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目录
1 数字系统设计方法概述 2 可编程逻辑器件的基本原理 3 可编程逻辑器件的设计 4 Altera可编程逻辑器件
5 Altera可编程逻辑器件开发软件 6 硬件描述语言VHDL初步
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参考教材
1.《可编程逻辑器件原理、开发与应用》
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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
0
0
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第四步:由状态转移表得下列方程：
Q 2Q 2 Q 1 Q 0Q 2 Q 1 Q 0Q 2 Q 1 Q0Q 1 Q 1Q 2 Q 1 Q 0Q2 Q 1 Q 0Q 2 Q 1 Q 0Q 0 Q0Q2Q1Q0Q2Q1Q0Q2Q1Q0
假设这里Q2、 Q1分别用两个D触发器， Q0用JK触发器。
BEGIN
calc：PROCESS(d0，d1，sel)
VARIABLE tmpl，tmp2，tmp3：BIT ；
BEGIN
tmp1 := d0 AND sel ； tmp2 := d1 AND (NOT sel) ； tmp3 := tmpl OR tmp2 ； q<= tmp3；
END PROCESS；
表0—3 六进制约翰逊计数器原理图
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2. 采用通用的逻辑元器件
在传统的硬件电路设计中，设计者总是根据系统的 具体需要，选择市场上能买到的通用的SSI、MSI（如 74系列、CC4000系列等），来构成所要求的逻辑电 路，从而完成系统的硬件设计。
尽管随着微处理器的出现，在由微处理器及其相应 硬件构成的系统中，许多系统的硬件功能可以用软件 功能来实现，从而在较大程度上简化了系统硬件电路 的设计，但是，选择通用的SSI、MSI来构成系统硬件 电路的方法并未改变。
VHDL超高速集成电路硬件描述语言
Very High Speed IC Hardware Description Language
包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次 支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述 覆盖了以往各种硬件描述语言的功能 整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以完成
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0.2.2 自底向上的硬件电路设计方法
所谓自底向上(Bottom－Up)的设计方法就 是利用现有的通用数字器件，从子系统设计开 始，从小到大地逐步设计，最后完成系统硬件 的整体设计。
自底向上的设计方法属于传统的设计方法。
在电子系统计算机辅助设计（EDA）出现之 前，人们一直采用传统的硬件电路设计方法来 设计数字系统的硬件。
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4. 主要设计文件是电路原理图
在用传统的硬件设计方法对系统进行设计并调试完 毕后，所形成的硬件设计文件，主要是由若干张电原 理图构成的文件。在电原理图中详细标注了各逻辑元 、器件的名称和互相间的信号连接关系。该文件是用 户使用和维护系统的依据。
对于小系统，这种电原理图只要几十张至几百张就行 了。但是，如果系统比较大，硬件比较复杂，那么这 种电原理图可能要有几千张、几万张，甚至几十万张 。如此多的电原理图给归档、阅读、修改和使用都带 来了许多麻烦。
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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
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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
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3. 在系统硬件设计的后期进行仿真和调试
在传统的系统硬件设计方法中，仿真和调试通常只 能在后期，即完成系统硬件设计以后，才能进行。因为 进行仿真和调试的仪器一般为系统仿真器、逻辑分析仪 和示波器等，因此只有在硬件系统已经构成以后才能使 用。
系统设计时存在的问题只有在后期才能较容易发现。 这样，传统的硬件设计方法对系统设计人员有较高的要 求。一旦考虑不周，系统设计存在较大缺陷，那么就有 可能要重新设计系统，使得设计周期也大大增加。
1. 采用自顶向下 (Top－Down) 的设计
方法 ；
2. 系统中可大量采用ASIC芯片；
3. 采用系统早期仿真 ；
4. 降低了硬件电路设计难度；
5. 主要设计文件是用HDL语言编写的
源程序。
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1.采用自顶向下 (Top－Down) 的设 计方法
所谓采用自顶向下 (Top－Down) 的设计方法，就是从系统总体要求出 发，自上至下地逐步将设计内容细化 ，最后完成系统硬件的整体设计。
数字系统可用图0—1来描述，其中输入量X和
输出量Z均为数字量。
时基电路
输入电路
输入信号
控制电路
控制信号
控制信号
输出信号 状态信号 状态信号
输出电路
输入数据
数字处理电路
输出数据
图0—1 数字系统示意图
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和模拟系统相比较，数字系统具有如下特点：
1. 稳定性； 2. 精确性； 3. 可靠性； 4. 模块化。
2）数字系统的算法模型：是采用对系统完成的 功能进行分解，形成一系列的子系统，然后根据 子系统所能建立的简单运算，再通过一定的算法 组合建立的数字系统模型。
算法通常就是对数字系统进行有规律、有序分 解的一种描述。
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建立数字系统的动态模型属于数字系统的 传统设计方法。随着设计规模的逐渐增大， 系统的输入输出变量急剧的增加，系统的状 态将会变得更加的复杂，因此，采用这种的 方法很难完成大规模的复杂设计。
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0.2.3 利用硬件描述语言(HDL)的硬件 电路设计方法
所谓硬件描述语言(HDL-Hardware Description Language)，就是可以描述硬件电路 的功能、信号连接关系及定时关系的语言。它可以 比电原理图更有效地表示硬件电路的特性。
目 前 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)芯片研制和生产厂家相继开发了用于各自目 的的硬件描述语言。其中已被IEEE标准化，且最具 代 表 性 的 是 美 国 国 防 部 开 发 的 VHDL 语 言 (VHSIC Hardware Description Language)及Viewlogic 公司的Verilog-HDL语言。
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传统的硬件设计设计方法归纳起来有如下几 个主要特征： 1. 采用自底向上(Bottom－Up)的设计方法 ； 2. 采用通用的逻辑器件、元器件 ； 3. 在系统硬件设计的后期进行仿真和调试 4. 主要设计文件是电路原理图 。
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硬件电路设计的传统流程
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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。
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1. 采用自底向上(Bottom－Up)的设计步骤
自底向上的硬件电路设计方法的主要步骤是：
1).根据系统对硬件的要求，详细编制技术规格书，并 画出系统控制流图；
2).根据技术规格书和系统控制流图，对系统的功能进 行细化，合理地划分功能模块，并画出系统的功能框图；
3).进行各功能模块的细化及其电路设计；各功能模块 电路设计、调试完成后，将各功能模块的硬件电路连接起来 再进行系统的调试；
数字系统的设计一般可从三个方面入手：
1. 选用通用集成电路设计系统； 2. 利用可编程逻辑器件（PLD）设计系统； 3. 采用专用集成电路（ASIC）设计系统。
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0.1.2 数字系统的基本模型
1）数字系统的动态模型：是采用状态转移图、 状态方程、时序图等描述方法建立的数字系统模 型。
在利用HDL语言的硬件设计方法中 ，设计者将自上至下分成3个层次对 系统硬件进行设计，
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TOP-DOWN 自顶向下设计
系统
子功能块1
子功能块2
……
子功能块n
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表0—2 Q2、Q1输出和Q0的J、K输入关系表
触发器 状态 计数脉冲 1 2 3 4 5 6
Q2 Q1
前一状 态
0
前一状 态
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
Q1
J
K
1
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
Q0
前一状 态
0
当前状 态
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
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第五步: 由状态方程选通用器件画电路图
6
实验装置
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第0章 数字系统设计方法概述
0.1 绪 言 0.2 数字系统设计方法论
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§ 0.1 绪 言
0.1.1 数字系统的基本概念
数字系统是指对数字信息进行存储、传输和处理 的电子系统。数字系统通常由输入电路、输出电路 、控制电路、数字处理器和时基电路组成 。
赵曙光 等编著 西安电子科技大学出版社
2.《集成电路设计VHDL教程》
赵
俊超等编写 北京希望电子出版社
3.《CPLD系统设计技术入门与应用》
黄正谨 等编著 电子工业出版社
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参考教材
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参考教材
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本例中我们选择JK触发器和D触发器作为 构成六进制计数器的主要逻辑元、器件。
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第二步：进行电路设计。
假设六进制计数器采用约 翰逊计数器。
3个触发器连接应该产生8 种状态，现在只使用6个状 态 ， 将 其 中 的 010 和 101 两 种状态禁止掉。
这样，六进制计数器的状 态转移图如图0—2所示。