2 数字系统设计的一般方法 (3).ppt

2.1数字系统的组成和设计步骤2.2用流程图与MDS图设计数字系统2.3控制子系统的微程序设计,数字系统设计一般方法,2.1.1数字系统的基本组成2.1.2数字系统的设计方法及设计步骤2.1.3数字系统设计应考虑的主要因素,2.1数字系统的组成和设计步骤,2.1.1数字系统的基本组成,（2）数字系统的组成1）组成数字系统可分为受控器和控制器两大部分。受控器数据子系统，信息处理子系统。控制器控制子系统。,（1）什么是数字系统数字系统是一个能完成一系列复杂操作的逻辑单元。,2）数据子系统和控制子系统数据子系统：它完成数据的采集、存储、运算处理和传输。主要由存储器、运算器、数据选择器等组成；,控制子系统：是一个时序系统，必须有记忆力。它由组合逻辑电路和触发器组成。它与数据子系统共用一个时钟。其输入是外部控制信号和数据子系统来的条件信号，按序地进行状态转换，状态输出作为控制信号去控制数据子系统的操作顺序。,3）数据子系统和控制子系统两者关系：,数据子系统接收控制子系统的控制信号，数据子系统与外界进行数据交换、数据的存取、运算等操作均是在控制子系统发出控制信号下进行的。数据子系统将自己的操作进程作为条件信号输出给控制子系统。,（3）数字系统的描述法1）系统模型描述法用逻辑图、状态图、流程图等来描述系统的方法为系统模型描述法。在数字电子技术中，已学会用逻辑表达式、真值表、卡诺图、状态图等来描述并设计数字电路。2）系统硬件描述语言法用HDL（硬件描述语言）描述系统的方法为系统硬件描述语言法。用于复杂系统。,（2）设计步骤明确设计要求；确定系统方案；受控器的设计；控制器的设计；硬件实现。,2.1.2数字系统的设计方法及设计步骤,（1）TDD设计方法将数字系统逻辑上分为分为控制子系统和数据子系统两大部分，采用MDS图或硬件描述语言来描述控制子系统和数据子系统的工作过程。,2.2.1明确设计要求2.2.2确定系统方案2.2.3受控器部分硬件设计2.2.4MDS图2.2.5控制器的硬件实现,2.2用流程图与MDS图设计数字系统,2.2.1明确设计要求,明确设计要求过程：把设计任务明确地归纳成若干条无二义的设计要求。,道路有六车道，只有汽车没有自行车行使。车辆直行时不允许车辆左拐行使，但右拐可以同时进行，必须设有专门的左拐时间。根据通行规则，车辆控制灯有：直行（）、左拐（）和右拐（）三个绿色指示灯及一个红色指示灯。红色指示灯亮表示全部禁止。车辆通行时间为40秒，各方向有倒计时显示器。行人过马路需提出申请（车多人少），只有车辆直行时才响应行人请求，行人在请求响应后方可穿越，穿越时间为60秒。警察有权可以随时指定系统停在某个状态。暂不考虑连网要求。,例2.2-1：设计一个十字路口交通灯控制系统。,问题：十字路口车辆行使规则如何？道路有多宽，允许几车道行使？控制灯有几种？通行和禁止时间各多少，是否显示？有无行人穿越指示？有无连网要求？,框图,2.2.2确定系统方案,根据系统设计要求，将系统分为控制器和受控器两大部分，画出简单流程图，再将简单流程图逐步细化为详细流程图。流程图符号：与软件设计流程图符号类似，方框表示系统操作（工作块），菱形表示判断并产生分支，用上面有两条横杠的方框表示条件操作（条件块）。,例2.2-2：确定十字路口交通灯控制系统的系统方案。通行方式有四种:(1)南北向车辆直行和各路右拐;(2)南北向车辆左拐和各路右拐;(3)东西向车辆直行和各路右拐;(4)东西向车辆左拐和各路右拐;四种方式在控制器控制下，顺序转换，每个状态持续40秒。,行人请求及警察控制可以是上述四个状态的条件分支，由控制器接受请求并判断是否响应。,交通灯控制系统总体方框图及简单流程图,受控器详图,简图,这个简单流程图还不是一个可实施的方案，因为：满足什么条件响应行人请求？响应时车辆通行情况如何？警察控制如何响应？每个状态需要输出哪些信号？哪些是同步的哪些是异步的？,为此作如下规定：在东西（南北）向车辆直行时，在该状态前20秒，可以响应东西（南北）向穿越的行人，但不响应南北（东西）向穿越请求。如果该状态持续时间超过20秒，就不再响应行人请求。每个状态最多只响应一次行人请求；车辆左拐时，不响应行人请求；响应行人请求时，各路右拐禁止。各路口的车辆行使时间指示40秒定时器不显示，转为显示行人穿越时间指示60秒定时器；响应行人穿越请求后，转到相应的下一个状态；对警察的控制请求立即响应。在警察控制状态时，各路口时间指示器均不显示。响应结束后转到初试状态。考虑到让进入十字路口的车辆安全通过，现态向次态转移和响应警察控制请求时，有一个两秒钟的各路禁止，即各路口只有红灯亮。得如下详细流程图:,MDS图,2.2.3受控器部分硬件设计,任务：选择器件，画出电路图。标明所需要的控制信号及相应的输出信号，完成受控部分硬件设计。,该受控器共有三部分：秒脉冲发生器，输出秒脉冲；十字路口的40秒减法定时器及显示器；行人横道线处的60秒减法定时器及显示器；各路口指示灯及行人穿越指示灯。,例2.2-3：十字路口交通灯控制系统的受控器设计,电路图如下：,框图,信号表达式,具体构成说明：CD4060及32768Hz晶体作为秒脉冲发生器；74LS190（BCD同步加/减计数器）作为40秒、60秒定时器，用CD4511作译码驱动器，共阴LED显示；响应行人请求后，车辆通行时间改由行人穿越时间60秒定时器控制，74LS157（数据选择器）选择，选择信号为G；20秒指示信号输出T20，来自比较器74LS85；受控器送给控制器的条件信号有：40秒指示T=40；60秒指示T=60。来自74LS190借位输出；受控器所需的控制信号有：40秒定时器（减法计数器）的时钟控制信号CP1和置数信号LD1；60秒定时器（减法计数器）的时钟控制信号CP2和置数信号LD2；40秒定时显示的消隐信号BI1和60秒定时显示的消隐信号BI2；数据选择器的选择信号G；受控器所需的控制信号还有：C1南北向直行灯控制；C2南北向左拐灯控制；C3东西向直行灯控制；C4东西向左拐灯控制；C5各路右拐灯控制；C6南北向行人通行灯控制；C7东西向行人通行灯控制；C8南北向行人等待灯控制；C9东西向行人等待灯控制；C10各路口禁止红灯控制；,2.2.4MDS图,根据系统流程图或算法及设计好的数据子系统设计控制子系统。,（1）MDS图的定义MDS图：助记符状态图。类似过去数字电路中的状态图，但它用符号和表达式来表示状态的转换条件和输出。它比状态图更具有一般性。,MDS图的规定：用黑体字母表示状态，如Si表示状态Si；用带箭头的定向线表示状态转移；状态转移条件写在定向线旁。条件可以是一个简单的变量，也可以是一个复杂的表达式。如：条件输出表示为状态与条件的乘积，也写在状态圆圈外；如Z=SiE表示进入状态Si且条件E满足时输出Z有效，条件E可以是一个简单的变量也可以是一个复杂的表达式；（2）MDS图与流程图系统的MDS图可以由流程图导出。根据MDS图的状态转换过程，可设计出系统控制器。,系统详细流程图导出MDS图的原则：流程图中的工作块对应了MDS图中的一个状态；如果工作块中的操作不能在一个CP周期同时进行，在MDS图中必须将其分成几个状态框，这些状态之间实现无条件转移；为实现工作块内的操作所需要的控制信号和工作块的输出写在MDS图的状态圈旁；流程图中的判别块对应了MDS图的分支，把判别条件写在MDS图的状态转移线旁；流程图中条件块对应了MDS图的条件输出。应该注意条件块不是MDS图中的状态，把条件输出和条件操作所需的控制信号写在MDS图的相应状态圈旁，并注上此条件输出的表达式。,例2.2-4：交通灯控制系统的MDS图。根据前面用流程图得出MDS图的原则，交通灯控制系统的MDS图如下：,控制器所需控制信号有：MS：南北向行人请求；ME：东西向行人请求；P：警察控制；受控器送给控制器的条件信号有：40秒指示T=40；60秒指示T=60。来自74LS190借位输出；状态持续超过20秒信号T20。受控器所需的控制信号：C1南北向直行灯控制；C2南北向左拐灯控制；C3东西向直行灯控制；C4东西向左拐灯控制；C5各路右拐灯控制；C6南北向行人通行灯控制；C7东西向行人通行灯控制；C8南北向行人等待灯控制；C9东西向行人等待灯控制；C10各路口禁止红灯控制,流程图,根据ASM图或MDS图，设计控制器。,2.2.5控制器的硬件实现,例2.2-5：某数字系统的MDS图如图2-30所示，R、A为输入信号，Ci(i=03)为输出信号，设计它的控制器电路。,一D对应一状态电路,用D触发器作为状态寄存器，状态编码方式有两种：（a）状态编码方式五个状态，用三个D触发器，采用二进制编码方式。列出状态转换表：,画出激励函数的卡诺图,写出函数表达式,画出控制器电原理图,当采用一个D触发器对应一个状态时，硬件电路与MDS图相对应，如图2.27。,（b）一个D触发器对应一个状态方式,采用上述方法，图2。24所示的MDS图可用图2.28所示的硬件电路来实现。,MDS图,例2.2-6：十字路口交通灯控制系统控制器设计。其MDS图共有7个状态，车辆通行是四个状态S0-S3；行人请求为两个状态S4、S5；警察控制状态是上述其中的一个。分步设计：第一步先设计S0-S5中转换；第二步根据异步信号P使状态在S0-S5中强行切换；第三步考虑各状态转换时的各路口2秒禁止；第四步考虑最多响应一次行人请求。,第一步：用74LS192（十进制同步加/减计数器）作为状态计数器。按次态编码尽量为现态加一的原则进行状态编码，如表2-4。,根据MDS图和状态编码表可填写74LS192操作表2-5和置数表2.6。,根据操作表和置数表可得74LS192的功能控制端LD、CLR、CPU的函数表达式及各数据端表达式：,图2.31交通灯控制系统控制子系统主要部分电原理图（状态转换时无2秒禁止）,第二步：考虑警察控制情况：控制信号为P，结果是S0-S5中的一个。拨码开关输入状态，74LS148（8-3优先编码器）编码，74LS157（四2选1）选择输出，由P控制。各路口时间指示关闭：用信号P加到译码器CD4511的消隐端（图2-13）P撤消时，自动回到状态S0，用P使状态计树器清零和使40秒定时器置数。,第三步：各状态转换时要求各路口均禁止2秒。用四D触发器74LS175作为状态寄存器，74LS161作为2秒钟计时器。在状态转换时，延时2秒再将次态存入74LS175。同时将现态、次态一起送入比较器74LS85，在P=Q输出端产生一个2秒负脉冲T2去控制各路灯口。,第四步：一个状态最多响应一次行人请求。行人请求开关Ms和ME只是产生短暂的脉冲，当请求没有被响应时，等待灯信号C8(或C9)应一直持续到请求被响应。只要Ms(ME)请求，而且没有被响应，自锁电路一直使Ms(Me)为高电平。请求被响应的结束信号S4(T=60)(或S5(T=60)来到后，才使D触发器清零，然后又接受新的行人请求。,最后给出数据子系统所需的控制信号：,40秒定时器秒脉冲关闭信号CP1（图2-36a）：在行人通行时及警察控制时关闭，在2秒禁止时也关闭。40秒定时器警察控制时不显示，所以译码器CD4511的消隐端BI1=P；,40秒定时器置数端为LD1=（T=40）+（T=60）+P车辆行使时间显示器显示选择信号G=CP1；60秒定时器秒脉冲关闭信号CP2（图2-36b）：在非行人通行时及警察控制时关闭，在2秒禁止时也关闭。60秒定时器警察控制时不显示，所以译码器CD4511的消隐端BI2=P；60秒定时器置数端为LD2=（S0MST20+S2MET20）P,受控器,各个灯的控制信号：南北直行灯控制信号：C1=S0+S4；南北左拐灯控制信号：C2=S1；东西直行灯控制信号：C3=S2+S5；东西左拐灯控制信号：C4=S3；各路右拐灯控制信号：C5=S0+S1+S2+S3；南北向行人通行灯控制信号：C6=S4；东西向行人通行灯控制信号：C7=S5；南北向行人等待灯控制信号：C8=S0MST20+（S1+S2+S3+S5）MS；东西向行人等待灯控制信号：C9=S2MET20+（S0+S1+S3+S5）ME；各路口均禁止的红灯控制信号：C10=T2；,2.3控制子系统的微程序设计,对于复杂的系统，状态数很多时，输入、输出变量很多，采用微程序设计。,2.3.1概述2.3.2微程序控制器的基本结构2.3.3微命令段（控制场）的编制格式2.3.4微程序流的控制2.3.5定时段,微程序设计：把控制子系统中每一个状态要输出的控制信号以及该状态的转移去向按一定的格式编写成条文，称其为微指令。将它们保存在ROM中。运行时，按预定的要求逐条取出这些微指令，从而实现控制过程。特点：ROM容量可以很大，系统可以很复杂；可以模块化，便于二次集成，便于修改；速度受ROM的限制，较慢。,2.3.1概述,例2.3-1：根据图2-35所示的某数字系统MDS图，设计用ROM实现的微程序控制器。,确定状态变量，进行状态编码；如图，用两个触发器，基本结构如图2.36。,确定ROM的容量两个状态变量Q2、Q1，两个输入X2、X1，需要24=16个字的ROM，每个字需要6位，即AO、BO、CO、DO和两位触发器激励信号。填写ROM内容如表2。8。,画出微程序控制器器电路。图2.37,微指令的内容分为：ROM中放置控制器输出控制信号的微命令段和激励函数的后续微地址段。,2.3.2微程序控制器的基本结构,微程序控制器组成：微程序存储器CS、微地址产生器和微控制器等三大部分。,工作过程：微地址产生器产生的当前地址取出微程序存储器CS中的微指令存入专门寄存当前微指令的寄存器MIR中MIR将一部分指令送入译码器后到数据子系统一部分作为转移地址送入微地址产生器还有一部分为微控制信号送入微控制器。,2.3.3微命令段（控制场）的编制格式,ROM中放置控制器输出控制信号的字段称为微命令段。,（1）水平格式水平格式：ROM字中的一位对应一个控制信号。特点：控制信号输出数等于ROM微命令段字中的位数；不需要译码等环节，速度快；ROM位数很多，浪费多。,（2）垂直格式垂直格式：控制信号打成包或编码。把微指令中的控制场分成若干子场，把不在同时有效的几个控制信号用编码的方式编在同一个子场内，对应每一个状态，只在该控制子场中填入该状态有效的控制编码，然后通过译码器译码并输出。（图2-39b）,特点：大大缩减ROM的容量；增加一个模式控制位，用它作为译码器的使能控制信号。（图2-40）,（3）二级存储在某些系统中，每次输出的控制信号多，但变化的式样不多，因此，在第二级存储器中，放置字少位多的控制信号，而在第一级存储器中放置地址信号。（图2.41）,如：一个微程序共有200条指令，输出50个控制信号。,水平格式编制：20050=10KROM如果该微程序输出控制信号只有10种方式，则：第二级存储容量：1050=500ROM第一级存储容量：2004=800ROM总容量为2KROM,2.3.4微程序流的控制,（1）直接寻址法（2）单测试双地址法（3）单测试单地址法（4）多测试变量的MDS图的微程序实现（5）微地址产生器,（1）直接寻址法,状态变量和所有输入信号作为ROM的地址变量，直接寻找相应微指令的存放地址。如例1。这里再举一个例子。,例2.3-2：用直接寻址法实现MDS图如图所示的某数字系统的微程序控制器。,微指令表见2.9，硬件实现完全同例1。,每个状态没有条件输出称为莫尔型数字系统。当某个状态有条件输出时（非莫尔型数字系统），处理方法有两种：其一：将MDS图转化为无条件输出的莫尔型（图2.43）,其二：先将输出当作无条件输出处理，设计好微程序控制器后，再将对应的ROM位和要求的条件相与，构成真正的输出。,直接寻址法优点：直观。后续地址可以直接由触发器激励信号D2、D1（上例）表示；一个状态无论有多少个分支转移，均可直接实现；直接寻址法缺点：ROM存储容量大。设有一个系统，有N个输入，K个状态，M位输出。则状态编码位数P=log2K，直接寻址ROM的容量为：2（N+P）*（M+P），即有2（N+P）个字，每字（M+P）位。,在许多系统中，尽管有很多输入变量，但是系统某一状态的转移只和一个输入变量有关，（如图2.44）甚至是无条件转移。因此，一个N个输入信号的系统，这N个输入信号组合有2N个字，对于一个无条件转移来说，这2N个字是完全相同的，因此，当N较大事，造成ROM容量的极大浪费。有另一种微程序实现法以节省ROM容量。,（2）单测试双地址法,单测试指的是决定状态转移的变量只有一个。,单测试双地址法：仅把状态变量作为地址变量，而把决定状态转移的测试变量输入信号作为指令的内容写入ROM，把指令的这一段叫做测试变量段。后续地址段分为两部分，分别为测试变量为1和0时的转移去向，其长度为状态变量数的两倍。表2.10单测试双地址的微指令格式微命令段测试变量后续微地址段控制信号X（i）X（i）=1后续地址X（i）=0后续地址如果系统不符合单测试条件，总是可以转化为单测试的MDS图。（后面分析）在单测试双地址法中，每个状态只有一个字，大大缩减ROM容量；,例2.3-3：设计MDS图如图所示的微程序控制器。,状态编码：用两个D触发器；确定ROM容量：ROM的总容量为49测试变量两个，测试变量段只要一位L。L=0代表X1，L=1代表X2。无条件转移用表示。,填写ROM的内容。表2-11,硬件电路如图2-46,对于N个测试变量，由于只与其中的一个有关，可对测试变量进行