数字系统设计Ⅰ-浙江大学
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数 字 系 统 设 计Ⅰ
补充讲义
王维东 刘鹏 沈继忠 徐新民 编著
浙江大学信息与电子工程学系
2014 年 1 月
00010010001101000101011001111000100110101011110011011110
目
录
第七章 控制器设计 .………………………………………… 7.1 概述 ……………………..…..…………………..…….. 7.2 状态机设计 …………………...………………………. 7.3 控制器的设计 ……………….…….………..………... 7.4 微码控制器 ………………..…………………………. 7.5 算法与流水结构 ………..………………..…………... 7.6 系统设计实现 ………..…………………..………...… 习题 ……………………....…………………..……………
2 2 3 17 27 36 40 41
第八章 验证和测试 …………………………………………… 8.1 引言………………………………….……….………… 8.2 测试过程………………………….……..…..….……… 8.3 可测性设计……………………….…….…..…...…...… 8.4 测试图形的生成……………………………..….…...… 习题 ………………………………………..…….….…...…
-2-
决定每个控制状态所启动的微操作。复杂的系统用状态图无法描述时，完全可以用寄 存器传送方法通过控制函数和微操作语句来描述。控制序列和寄存器传送关系可以直 接从问题的文字说明中得出，但是通过时间图或者流程图来描述系统的操作序列比较 直观、清楚。 时间图(Timing Diagram)可以说明各种控制信号的时间和其他关系。 同步系统中， 时钟脉冲同步包括控制变量改变在内的所有操作。异步系统中，一个控制变量信号的 改变可能直接引起另一个控制变量的变化。时间图形象地描述了所要求的状态变化和 所有控制变量的改变，所以对异步控制是非常有用的。 流程图 (Flowchart) 是用来描述解题过程步骤的顺序和决定算法途径的有效方 法。设计算法的流程图一般采用初始设备方案中定义的寄存器名称，它将一种算法从 文字说明解释成一张信息流程图，在图中列出寄存器传送操作序列和执行操作所需要 的条件。算法流程图在数字系统设计过程中，表现为不同状态之间的转换描述形式， 通常从表示算法的流程图可以直接推导出状态图。 控制器的逻辑设计不能脱离求解给定问题的算法拟订，还直接与由其控制的数据 处理器有关。本章通过四种控制器组成的方案，说明控制器逻辑设计的各种方法。所 举的例子都是从拟订算法开始，然后根据拟订的算法导出系统的数据处理器，进而说 明设计按算法中给定的步骤对数据处理器确定控制顺序的控制器。 系统的控制序列确定后，便可以设计实现这些控制操作的控制器。控制器的逻辑 设计不仅使控制器能实现控制序列要求的逻辑功能，而且应该使控制器的结构是个简 单且非常有规则的网络。 控制器是一个时序电路，完全可以按时序电路的设计方法进行设计。通常，控制 器的状态数很多， 运用状态表和激励表进行设计在理论上是可行的， 但是由于太麻烦， 实践上是不可行的。假若按这种方法设计控制器，往往需要大量的触发器和门电路。 从使用 IC 组件数量和连线数量的角度分析， 这种设计方式也是不经济的。 若是尽量简 化以减少 IC 组件， 其结果又使控制器的结构形成一个无规则的网络， 给设备的维护带 来很大的困难。由于上述原因，控制器的逻辑设计往往采用一些特殊的方法，这些方 法是建立在经典时序逻辑方法和寄存器传送方法基础上的。一般有下述四种方法： (1)每个状态一个触发器法； (2)序列寄存器―译码器法； (3)可编程逻辑阵列设计法； (4)微程序控制法；
图 7.1 控制器与处理器的关系 数据处理器的所有微操作都是由控制器启动的，产生微操作控制序列信号的控制 器是一个时序电路， 它的各种状态(指内部状态)表示系统的各个控制功能。 任意时刻， 控制器都处于一定的状态而启动一组预定的微操作，同时根据有关状态条件和输入条 件进入下一个状态，进而启动其他微操作。也就是说，控制器是为启动数字系统中数 据处理器的微操作提供控制信号时间序列的。 设计数字系统时，该系统要求一个控制序列。将每个定时变量用一个状态表示， 然后根据状态间的变化画出状态图或者其他等效的表达形式。拟定控制序列的同时，
44 44 44 45 54 56
附录 74HC/HCT181 参考手册 ……………………….…………. 57
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-1-
第七章 控制器设计
7.1 概述
数字系统中的二进制信息存储在寄存器或者存储器中，这些二进数字信息主要分 为数据信息和控制信息。数据是需要通过算术、逻辑、移位等微操作加以处理的离散 量信息，这些操作由如加法器、译码器、乘法器、计数器和移位寄存器等数字部件执 行。为了完成要实现的数据处理任务，控制信息则是提供在数据部分协调和实施各种 微操作序列的命令信号。 数字系统或者数字计算机的逻辑设计，就是确定怎样执行数据处理和提供相应的 控制信号，并且用数字功能部件构造成电路的过程。逻辑设计十分复杂，涉及的因素 也很多。目前，人们研究和发展了多种计算机自动设计(Computer automated design) 技术来进行辅助逻辑设计。尽管如此，确定系统的技术条件和拟定达到技术所需要的 算法，还是依赖于设计者的经验和理论，不能完全借助于自动设计技术。 “算法”是 指一个问题的求解过程，可以通过有限个定义的程序性步骤来说明。根据给定的设备 寻求解决问题的过程，一般称之为“设计算法” 。编制设计算法时，要求设计者必须对 要解决的问题有深刻的理解，并且预先假设一种所采用设备的初始方案，然后才能对 给定的问题和设备进行详细的求解和编制算法。 同步数字系统中，所有寄存器的时序是由一个主时钟发生器控制的。时钟脉冲作 用于系统中所有的触发器和寄存器，只有当寄存器由控制信号选通时，时钟脉冲才能 改变其状态。各个选择变量和各个寄存器的选通输入是由控制器产生的，控制器的输 出信号不仅仅选择和选通系统中数据处理器， 而且也确定控制器本身的下一个状态(次 态)。数字系统中控制器和数据处理器的关系，如图 7.1 所示。
补充讲义
王维东 刘鹏 沈继忠 徐新民 编著
浙江大学信息与电子工程学系
2014 年 1 月
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第七章 控制器设计 .………………………………………… 7.1 概述 ……………………..…..…………………..…….. 7.2 状态机设计 …………………...………………………. 7.3 控制器的设计 ……………….…….………..………... 7.4 微码控制器 ………………..…………………………. 7.5 算法与流水结构 ………..………………..…………... 7.6 系统设计实现 ………..…………………..………...… 习题 ……………………....…………………..……………
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第八章 验证和测试 …………………………………………… 8.1 引言………………………………….……….………… 8.2 测试过程………………………….……..…..….……… 8.3 可测性设计……………………….…….…..…...…...… 8.4 测试图形的生成……………………………..….…...… 习题 ………………………………………..…….….…...…
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决定每个控制状态所启动的微操作。复杂的系统用状态图无法描述时，完全可以用寄 存器传送方法通过控制函数和微操作语句来描述。控制序列和寄存器传送关系可以直 接从问题的文字说明中得出，但是通过时间图或者流程图来描述系统的操作序列比较 直观、清楚。 时间图(Timing Diagram)可以说明各种控制信号的时间和其他关系。 同步系统中， 时钟脉冲同步包括控制变量改变在内的所有操作。异步系统中，一个控制变量信号的 改变可能直接引起另一个控制变量的变化。时间图形象地描述了所要求的状态变化和 所有控制变量的改变，所以对异步控制是非常有用的。 流程图 (Flowchart) 是用来描述解题过程步骤的顺序和决定算法途径的有效方 法。设计算法的流程图一般采用初始设备方案中定义的寄存器名称，它将一种算法从 文字说明解释成一张信息流程图，在图中列出寄存器传送操作序列和执行操作所需要 的条件。算法流程图在数字系统设计过程中，表现为不同状态之间的转换描述形式， 通常从表示算法的流程图可以直接推导出状态图。 控制器的逻辑设计不能脱离求解给定问题的算法拟订，还直接与由其控制的数据 处理器有关。本章通过四种控制器组成的方案，说明控制器逻辑设计的各种方法。所 举的例子都是从拟订算法开始，然后根据拟订的算法导出系统的数据处理器，进而说 明设计按算法中给定的步骤对数据处理器确定控制顺序的控制器。 系统的控制序列确定后，便可以设计实现这些控制操作的控制器。控制器的逻辑 设计不仅使控制器能实现控制序列要求的逻辑功能，而且应该使控制器的结构是个简 单且非常有规则的网络。 控制器是一个时序电路，完全可以按时序电路的设计方法进行设计。通常，控制 器的状态数很多， 运用状态表和激励表进行设计在理论上是可行的， 但是由于太麻烦， 实践上是不可行的。假若按这种方法设计控制器，往往需要大量的触发器和门电路。 从使用 IC 组件数量和连线数量的角度分析， 这种设计方式也是不经济的。 若是尽量简 化以减少 IC 组件， 其结果又使控制器的结构形成一个无规则的网络， 给设备的维护带 来很大的困难。由于上述原因，控制器的逻辑设计往往采用一些特殊的方法，这些方 法是建立在经典时序逻辑方法和寄存器传送方法基础上的。一般有下述四种方法： (1)每个状态一个触发器法； (2)序列寄存器―译码器法； (3)可编程逻辑阵列设计法； (4)微程序控制法；
图 7.1 控制器与处理器的关系 数据处理器的所有微操作都是由控制器启动的，产生微操作控制序列信号的控制 器是一个时序电路， 它的各种状态(指内部状态)表示系统的各个控制功能。 任意时刻， 控制器都处于一定的状态而启动一组预定的微操作，同时根据有关状态条件和输入条 件进入下一个状态，进而启动其他微操作。也就是说，控制器是为启动数字系统中数 据处理器的微操作提供控制信号时间序列的。 设计数字系统时，该系统要求一个控制序列。将每个定时变量用一个状态表示， 然后根据状态间的变化画出状态图或者其他等效的表达形式。拟定控制序列的同时，
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附录 74HC/HCT181 参考手册 ……………………….…………. 57
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第七章 控制器设计
7.1 概述
数字系统中的二进制信息存储在寄存器或者存储器中，这些二进数字信息主要分 为数据信息和控制信息。数据是需要通过算术、逻辑、移位等微操作加以处理的离散 量信息，这些操作由如加法器、译码器、乘法器、计数器和移位寄存器等数字部件执 行。为了完成要实现的数据处理任务，控制信息则是提供在数据部分协调和实施各种 微操作序列的命令信号。 数字系统或者数字计算机的逻辑设计，就是确定怎样执行数据处理和提供相应的 控制信号，并且用数字功能部件构造成电路的过程。逻辑设计十分复杂，涉及的因素 也很多。目前，人们研究和发展了多种计算机自动设计(Computer automated design) 技术来进行辅助逻辑设计。尽管如此，确定系统的技术条件和拟定达到技术所需要的 算法，还是依赖于设计者的经验和理论，不能完全借助于自动设计技术。 “算法”是 指一个问题的求解过程，可以通过有限个定义的程序性步骤来说明。根据给定的设备 寻求解决问题的过程，一般称之为“设计算法” 。编制设计算法时，要求设计者必须对 要解决的问题有深刻的理解，并且预先假设一种所采用设备的初始方案，然后才能对 给定的问题和设备进行详细的求解和编制算法。 同步数字系统中，所有寄存器的时序是由一个主时钟发生器控制的。时钟脉冲作 用于系统中所有的触发器和寄存器，只有当寄存器由控制信号选通时，时钟脉冲才能 改变其状态。各个选择变量和各个寄存器的选通输入是由控制器产生的，控制器的输 出信号不仅仅选择和选通系统中数据处理器， 而且也确定控制器本身的下一个状态(次 态)。数字系统中控制器和数据处理器的关系，如图 7.1 所示。