数字系统

目录

1. 课程内容总结 (3)

2. 移位寄存器数字系统的分析 (5)

3. 实验报告 (5)

3.1 3-8译码电路的设计与仿真 (5)

3.2 4位串行加法器电路的设计 (7)

4. 课程总结 (10)

课程内容总结

数字系统是用来对数字信息进行采集、储存、加工、传输、运算和处理的电子系统。含有控制器和逻辑功能部件、能够按照时序完成一系列复杂操作的逻辑电路。是否含有控制器作为区分数字系统和逻辑功能部件的重要标志。数字系统具有工作稳定，抗干扰能力强、精确度高、系统可靠性高、便于系统的模块化、便于大规模集成、可实现片上系统、基于FPGA器件，可实现嵌入式系统这七大特点。一个完整的数字系统由五个部分组成，即输入电路、输出电路、数据逻辑电路、控制器和时钟电路。

当我们了解过数字系统的有关概念及组成后，我们就应该考虑如何实现数字系统。所谓数字系统的实现方式是指基于器件实现数字系统的方法，主要有一下几种方式：1.基于通用标准集成电路实现数字系统。采用SSI、MSI、LSI来够造数字系统，设计人员采用搭积木的方法设计，但系统体积大、重量大、功耗大、生产周期长、成本高、集成度低、可靠性差等。2.基于软件软件组态标准集成电路实现数字系统。采用微处理器来构造数字系统，但工作速度慢，对设计人员要求较高。3.基于全定制方式实现数字系统。这是一种基于晶体管级的设计方法，可在物理版图级实现数字系统芯片的设计。4.基于半制定方式实现数字系统。是一种约束型设计，包括门阵列和标准单元两种实现方式。5.基于可编程逻辑器件实现数字系统。具有成本低、应用灵活、功能强大、可靠性高、可用简单的开发工具进行设计、硬件设计软件化、投资风险小、设计周期短、能加快产品的上市时间等优点，适用于电路、系统的研制和开发。

数字系统的设计方法，包括自低向上设计法和自顶向下设计法。对于自低向上设计法具有设计方法没有明显的规律可循，主要依据设计经验和设计技巧，采用试探的方法完成系统设计；系统的性能分析和测试、功能验证和仿真只能在系统构成后才能进行的特点。对于自顶向下设计法具有采用模块化设计；高层设计与器件无关；适合多个设计人员分工协作设计的特点。

EDA的软件环境是电子设计自动化离不开的软件环境，具有多种语言,VHDL,Verilog

HDL.ABEL-HDL,C语言。具有六个基本特征：并行工程和“自顶向下”设计方法、硬件描述语言、逻辑综合与优化、开放性和标准化、库的引入、体统框架结构。基本工具有：编辑器、仿真器、检查/分析工具、优化/综合工具。

可编程逻辑器件可定义为：内部含有可编程资源，对这些可编程资源进行编程以实现用户定制功能的集成电路。包括PROM,PLA,PAL,GAL,EPLD,CPLD和FPGA等，可以有多种分类方法，没有统一标准。可编程逻辑器件由输入电路，输出电路，与阵列，或阵列等四部分组成。

可编程元件可分为四种类型：熔丝型开关，反熔丝型开关，浮栅编程元件，基于SRAM编程元件。

可编程只读存储器PROM，传统概念上的“只读”已经失去了它的意义，现在的可编程ROM既可以读也能写。其内部电路的基本结构由地址译码器、存储体阵列、输出控制电路等三部分组成。

PLA与PAL中，PLA的与阵列、或阵列均可编程，它的灵活性高。可编程阵列逻辑PAL分为专用输出结构的PAL阵列、可编程输入/输出结构、寄存输出结构、异或寄存器输出结构。

通用阵列逻辑GAL

VHDL语言中，可以赋予一个质的对象就称为客体。客体主要包括以下三种：变量、常量、信号、文件。VHDL语言有不同的数据类型包括位和位矢量、布尔量、字符和字符串、整数、自然数和正整数、实数、时间、错误等级。用户也可以自己定义数据类型:可枚举类型、物理类型、数组类型、记录类型、

子类型。VHDL语言的运算符可分为逻辑运算符、算术运算符、关系运算符、并置运算符四种。运算符的优先级也是非常重要的。VHDL语言的词法包括注释、数字、字符和字符串、位串。

VHDL语言的程序结构基本上对应于一个数字电路，VHDL语言的程序结构包含了说明设计元件的输入、输出接口信号的实体说明部分和描述设计元件的具体构造和所进行操作的结构体部分。一个完整的VHDL程序是以下五部分组成的：库、程序包、实体、构造体、配置。

VHDL语言包含两种语言：并发语言、顺序语言。顺序语言包括：WAIT语句、变量赋值语句和信号代入语句、IF语句、CASE语句、LOOP语句、跳出循环语句、RETURN语句、NULL语句、顺序断言语句。并发语句包括：进程语句、并发信号代入语句、带有条件的信号代入语句、参数传递语句、元件及其例化语句、生成语句、块语句。描述硬件电路的过程中也可以采取属性预定义功能与子结构。

结构体的描述方式：行为描述、数据流描述、结构化描述。不同的方面对应着不同的描述方法。

数字系统模型结构根据所描述数字系统侧重点不同，用于描述数字系统的模型有多种形式。包括数据处理器、控制器。数字系统的算法有：算法流程图描述、算法状态机描述、硬件描述语言描述等。算法设计考虑主要因素、硬件结构、算法结构。了解状态机，明白状态机的分类及其特点。

数字系统设计的基本步骤，系统需求分析、算法设计、算法描述、系统结构选择、系统具体设计、系统仿真与验证。懂得数字系统并发处理器的设计流程。

基本逻辑电路包括组合电路和时序电路。组合逻辑电路是指结构上没有反馈、功能上没有记忆的一类数字电路的总称，是数字电路的一类逻辑电路。其主要由简单的门电路、编码和译码器、运算器、多路选择器、比较器等。时序逻辑电路是指电路中含有记忆元件，输出信号与时钟有关。其可分为同步电路和异步电路。含有时钟信号，复位信号，了解关于时钟的注意事项。

LPM即参数化的宏功能模块库。需要满足以下几点要求：设计与具体器件无关、有效的设计映射、设计输入与工具无关、是一个完整设计的详细说明。使用非常方便。

有限状态机是一种时序逻辑电路模块，分为Moore型和Mealy型。为了描述状态机，首先需要对状态经行编码。有限状态机的描述包括：描述状态寄存器、描述下一状态转移逻辑、描述输出逻辑，含有三种描述方式：三进程描述方式、双进程描述方式、单进程描述方式。

层次化设计的途径有多种。图元实现层次化设计：设计实现系统中的局部电路功能、将局部电路的设计文件置为当前工程时、在新的设计中调用已经创建的图元及其他设计、在顶层设计中调用图元以完成系统设计；通过创建用户的程序包实现层次化设计；利用COMPONENT语句实现层次化设计；利用FUNCTION实现层次化设计。层次化设计的基本原则：信息隐蔽抽象、明确、模块时钟域区分、资源复用、同步时序模块的寄存器划分。

了解流水线设计，明确设计时的注意事项：流水线设计时，时序要行合理的安排；如果前级操作时间恰好等于后级操作时间，设计最为简单；如果前级操作时间大于后级操作时间，则后级操作会经常空闲；如果前级操作时间小于后级操作时间，则必须通过复制逻辑，将数据流分流和并行预处理，或者在前级对数据采用储存、后处理的方式，否则会造成后级数据溢出。

常用的控制方法：全局控制信号的使用、计数控制。

数字系统的仿真。仿真信息的产生通常有两种：程序直接产生法和读TEXIO的方法。

程序直接产生法：由设计者设计一段VHDL语言程序，将它附加到仿真模块中，并由它产生仿真的输出信息；读TEXIO的方法是由程序直接直接产生输出信号。

逻辑综合就是将较高抽象层次的描述自动地转换到低抽象层次描述的一种方法。其分为三步：将