数字电子技术之数字系统设计概述

数字系统设计第7章数字电子技术之数字系统设计概述第1页主要内容7.1数字系统设计概述7.2数字系统设计惯用工具7.3数字系统实现方法7.4数字系统举例数字电子技术之数字系统设计概述第2页惯用工具ASM图和MDS图描述方法；硬件描述语言VHDL基本结构和设计方法、以及数字系统实现方法。本章重点数字电子技术之数字系统设计概述第3页一、基本概念7.1数字系统设计概述图7.1数字系统组成框图数字系统组成什么是数字系统结构上特点数字电子技术之数字系统设计概述第4页二、设计普通过程自顶向下（Top-down）设计方法图7.2自顶而下方法这里“顶”指系统功效；“向下”指将系统由大到小、由粗到精进行分解，直至可用基本模块实现。自顶向下设计方法普通过程大致上能够分为五步数字电子技术之数字系统设计概述第5页7.2数字系统设计惯用工具一、ASM图和MDS图描述方法ASM图基本符号和结构

ASM(AlgorithmicStateMachineChart)图由状态框、判别框（条件分支框）、条件输出框和输入、输出路径组成。（a）ASM图状态框符号（b）状态框组成ASM图图7.3ASM图状态框

状态框数字电子技术之数字系统设计概述第6页一、ASM图和MDS图描述方法判别框（条件分支框）（a）条件分支框符号（b）条件分支表示法图7.4ASM图条件分支框数字电子技术之数字系统设计概述第7页一、ASM图和MDS图描述方法判别框（条件分支框）（a）条件分支框符号（b）条件分支表示法图7.4ASM图条件分支框（a）真值表图解分支法（b）变量优先级分支法图7.5三个分支表示法数字电子技术之数字系统设计概述第8页一、ASM图和MDS图描述方法条件输出框图7.6含有条件输出框ASM图数字电子技术之数字系统设计概述第9页一、ASM图和MDS图描述方法ASM图硬件实现例7.1

已知ASM图如图7.7所表示，用PLA阵列和一定数量D触发器实现。图7.7经过状态图分配ASM图数字电子技术之数字系统设计概述第10页ASM图硬件实现依据ASM图，确定存在几个状态ASM图导出状态转换表现

态次

态输

出0000011001111001Ф000010Ф000011Ф0000表7.1状态转换表数字电子技术之数字系统设计概述第11页ASM图硬件实现由ASM图可得到输出方程

最终得到硬件逻辑图图7.8图7.7PLA逻辑电路图数字电子技术之数字系统设计概述第12页一、ASM图和MDS图描述方法MDS图MDS图基本符号和结构状态图到MDS图（a）状态图（b）有输出MDS图图7.9状态图到MDS图改变有输出状态图到MDS图数字电子技术之数字系统设计概述第13页一、ASM图和MDS图描述方法状态图到MDS图有条件输入MDS图图7.11条件输出数字电子技术之数字系统设计概述第14页一、ASM图和MDS图描述方法ASM图转换MDS图图7.12（a）ASM图至MDS一例图7.12（b）ASM图至MDS另一例数字电子技术之数字系统设计概述第15页ASM图转换MDS图ASM图中条件输出与MDS图中条件输出相对应图7.13详细ASM图至MDS图转换之二图7.14详细ASM图至MDS图转换之三数字电子技术之数字系统设计概述第16页二、VHDL硬件描述语言硬件描述语言(HardwareDescriptionLanguage—HDL)RTL语言(RegisterTransferLanguage)GSAL语言(Group-SequentialAlgorithmslanguage)图7.15分组-按序算法VHDL语言(VHSICHardwaredescriptionLanguage)数字电子技术之数字系统设计概述第17页VHDL语言是硬件描述语言中抽象程度很高一个语言，尤其便于对整个系统数学模型描述。利用VHDL语言设计数字系统特点利用VHDL语言设计数字系统特点采取自上而下设计方法系统可大量采取PLD芯片采取系统早期仿真降低了硬件电路设计难度主要设计文件是用VHDL语言编写源程序数字电子技术之数字系统设计概述第18页VHDL语言实体（ENTITY），详细格式以下：VHDL语言基本结构一个完整VHDL语言程序通常包含实体（Entity）、结构体（Architecture）、配置（Configuration）、程序包（Package）和库（Library）5个部分。ENTITY实体名IS[类属参数说明；][端口说明；]END实体名；PORT（端口名：方向数据类型；∶∶端口名：方向数据类型）；端口说明：IEEE1076标准包中定义了以下惯用端口模式：

IN输入，只能够读

OUT输出，只能够写

BUFFER输出

INOUT双向，能够读或写数字电子技术之数字系统设计概述第19页VHDL语言例7.22输入端与非门实体描述示例。LIBRARYIEEE；

USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

ENTITYnandISPORT(a：INSTD_LOGIC；

b：INSTD_LOGIC；

c：OUTSTD_LOGIC)；

ENDnand；数字电子技术之数字系统设计概述第20页VHDL语言结构体（ARCHITECTURE）结构体分为两部分：结构说明部分和结构语句部分，其详细描述格式为：

ARCHITECTURE结构体名OF实体名IS--说明语句

BEGIN--并行语句

END结构体名；说明语句：用于对结构体内部使用信号、常数、数据类型和函数进行定义。比如：

ARCHITECTUREbehavOFmuxISSIGNALnel：STD_LOGIC；∶

BEGIN∶ENDbehav；数字电子技术之数字系统设计概述第21页VHDL语言例7.3全加器完整描述示例图7.16电路原理图数字电子技术之数字系统设计概述第22页VHDL语言结构体（ARCHITECTURE）结构体分为两部分：结构说明部分和结构语句部分，其详细描述格式为：

ARCHITECTURE结构体名OF实体名IS--说明语句

BEGIN--并行语句

END结构体名；说明语句：用于对结构体内部使用信号、常数、数据类型和函数进行定义。比如：

ARCHITECTUREbehavOFmuxISSIGNALnel：STD_LOGIC；∶

BEGIN∶ENDbehav；数字电子技术之数字系统设计概述第23页VHDL语言结构体（ARCHITECTURE）结构体分为两部分：结构说明部分和结构语句部分，其详细描述格式为：

ARCHITECTURE结构体名OF实体名IS--说明语句

BEGIN--并行语句

END结构体名；说明语句：用于对结构体内部使用信号、常数、数据类型和函数进行定义。比如：

ARCHITECTUREbehavOFmuxISSIGNALnel：STD_LOGIC；∶

BEGIN∶ENDbehav；数字电子技术之数字系统设计概述第24页VHDL语言程序包、库及配置库（LIBRARY）库是经编译后数据集合，用来存放程序包定义、实体定义、结构体定义和配置定义，使设计者能够共享已经编译过设计结果。库说明总是放自在设计单元最前面：LIBRARY库名；程序包（PACKAGE）程序包由标题和包体两部分组成,其结构以下:数字电子技术之数字系统设计概述第25页VHDL语言数据类型种类VHDL语言数据对象VHDL语言数据类型数据类型转换VHDL语言运算操作符VHDL语言主要描述语句次序语句并行语句VHDL语言数据类型和运算操作符标号：BLOCK

块头

{说明部分}BEGIN{并行语句}ENDBLOCK标号；[进程标号：]PROCESS（敏感信号表）[IS][说明区]BEGIN

次序语句

ENDPROCESS[进程标号]；数字电子技术之数字系统设计概述第26页VHDL语言例7.4

由时序逻辑电路组成模10计数器数字电子技术之数字系统设计概述第27页7.3数字系统实现方法数字系统通常能够用硬件(Hardware)、软件(Software)和微程序（Micro-Program）方法给予实现。一、硬件控制器实现方法在MSI硬件实现方法中，惯用计数器／移位存放器模块、译码器模块和少许逻辑门来实现控制子系统。数字电子技术之数字系统设计概述第28页一、硬件控制器实现方法例7.5用4位二进制同时可预置加法计数器芯片74LS161(除是异步清0外，其它与74LSl63完全相同)及译码器实现前述数值计算系统控制子系统。图7.17控制状态图数字电子技术之数字系统设计概述第29页一、硬件控制器实现方法例7.5用4位二进制同时可预置加法计数器芯片74LS161(除是异步清0外，其它与74LSl63完全相同)及译码器实现前述数值计算系统控制子系统。图7.18硬件控制器电路图数字电子技术之数字系统设计概述第30页二、微程序控制器实现方法基本思想：将系统控制过程按一定规则(算法)编制成指令性条目并将其存放在控制存放器中，然后一条条将它们取出并转化为系统各种控制信号，从而实现预定控制过程。数字电子技术之数字系统设计概述第31页二、微程序控制器实现方法例7.6用微程序设计方法实现前述数值计算系统控制子系统。解：该系统共有5个状态、2个条件(st，k)、9个控制信号。5个状态，需要3位二进制编码，即n＝3；2个条件，9个控制信号，即p＝2，m＝9；所需ROM地址为n+p＝3+2＝5位，ROM单元数为2n+p＝25＝32个(实际上，3位编码中，只用000～100五种，故实际只需要5×2×2＝5×4＝20个单元)；ROM字长为n＋m＝3＋9＝12位，ROM容量为2n+p×(n+m)＝32×12位。数字电子技术之数字系统设计概述第32页二、微程序控制器实现方法数字电子技术之数字系统设计概述第33页二、微程序控制器实现方法图7.20微程序控制器电路数字电子技术之数字系统设计概述第34页7.4数字系统设计举例首先从系统级分析入手，确定初步方案；然后将设计细分，进行模块划分；直至用VHDL进行综合;编写控制算法，实现系统仿真。其过程大致分为三步：系统调研，确定初步方案；模块划分，确定详细方案；选取模块，完成详细设计。数字电子技术之数字系统设计概述第35页数字密码引爆系统设计实例系统概述数字密码引爆器密码将采取三个十进制数字，当三个数字输入正确后，就能够正确引爆起爆装置。当输入密码不正确时，多一位或少一位十进制数据都不会引爆，将产生错误，使系统报警，增加了系统可靠性。系统功效描述与使用要求输入信号及电路