数字系统数据通道要点

第七章数字系统

DIGITALSYSTEM

用时序电路状态表的设计方法设计大型复杂的

数字系统（有时甚至是简单的数字逻辑问题）是十分

艰难的，甚至是不可能的。原因是状态数大的惊人。

例：设计一个统计串行输入中1的个数电路。

输入序列X4T1统计电路Z统计结果

输入XXn。无论用按收到序列或者已包含1的

0

个数（n+1状态）规定状态，状态表都将十分庞大。

解决办法：利用模块化和层次化设计。

N=15

I

开始xT计数器A

Cl

控制器

c->

RC2计数器B

结束

N：统计个数。Z：

计数。X：输入。CP：系统时钟。

数字系统的任务是完成复杂的数字数据处理，采

用模块化、层次化方法，即将系统分隔为完成特定功

能的子系统，再通过数据和控制信号将各子系统互联

以完成预定对的数据处理是构建大型数字系统的基

本思想。

在大部份数字系统中，将系统分为两部份：

1.数据通道：执行数据处理操作。

2,控制单元：决定操作时序。

在数字系统中，数据通道和控制单元是层次化设

计的顶层。

数据通道与控制单元关系：

数据•输出

地

控制输出数据输入

控制信号：二进制，激活各种对应数据处理操作。

为激活一操作序列，控制单元向数据通道发出序

列控制信号，并挨次接收对应产生状态信号。状态信

号描述数据通道数据处理状态情况，控制单元根据状

态信号决定所需执行的操作及次序。

数据通道和控制单元还和系统的其它部份交互，

如：数据输入、输出，控制输入、输出。

7—1数据通道和寄存器传输

数据通道完成数据处理任务。被处理数据寄存于

寄存器中。处理逻辑（组合电路，例完成加、减、与、

或者等）将寄存于寄存器中的数据加工，结果再存于

寄存器中。因此，数据通道主要由处理逻辑和寄存器

堆构成。

根据数据处理的不同要求，可构建各种功能的数

据通道。

当构建好完成特定功能的数据通道后，所谓执行

数据处理动作即是将数据在寄存器之偶尔寄存器与

存储器之间传输挪移，所以，对于数据通道而言，寄

存器传输即对应数据处理。

用寄存器传输符号描述基本的数据处理动作，称

之为微操作。

实现数据在寄存器之间挪移的硬件基础是多路

选择器和共享传输总线。

本节以计算机的数据通道为例说明数据处理逻

辑设计，其基本原理合用于所有数字系统数据通道设

计。

控制字是数据通道与控制单元之间的纽带。以计

算机数据通道为媒介，介绍利用控制字的概念对控制

单元进行设计。

计算机数据通道设计的讨论是计算机设计的基

础之一。

7-1-1数据通道和操作

数据通道构成模块：寄存器、计数器、解码器、

多工器、总线、运算器、触发器、基本门。

所谓数据通道概念的内涵，就是构成数据通道的

基本成份寄存器，以及对储存在寄存器中的二进数据

之操作。对寄存器中数据的操作有数据在寄存器之间

的挪移、计数、清0、加载等。由于数据在寄存器间

的挪移的同时便完成为了数据处理操作，这种对应数

据通道数据处理的操作被称为寄存器传输操作。

数字系统实现寄存器传输操作必须包含三要素：

1.系统存在一套寄存器。

2.对存于寄存器中数据所要执行的操作。

3.对系统操作序列的监控,

对寄存器可执行多种基本操作：加载、计数、力口、

减、挪移。

对寄存器数据所执行的基本操作被称为微操作。

微操作例：将一寄存器的内容加载进另一寄存

器；将两寄存器的内容相加；将一寄存器的内容加

1...O计数器可执行加载与加1微操作，双向移位寄

存器可执行摆布移微操作。

通常，微操作在一个时钟周期中完成。

微操作的结果可能代替寄存器中的原数据，也可

传输到其它寄存器，而原寄存器中数据保持不变。

控制单元对数据通道提供控制信号实现微操作。

当前所执行操作的结果能够对控制单元以后发

出的控制信号产生影响，从而对数据通道的微操作及

其序列进行控制。

用寄存器传输语言（RTL）对寄存器传输描述，

描述操作对象及操作内容。类似HDL。

7—1—2寄存器传输操作

寄存器命名：（根据其功能）

AR：地址寄存器。PC：程序计数器。

IR：指令寄存器。R2：2号寄存器。

寄存器传输符号表示：R21R1

R2：目的寄存器。RI：源寄存器。

条件寄存器传输及硬件实现：

K：R2国

CLOCK

寄存器与存储器传输：DR_M[AR]

寄存器传输操作与硬件结构相对应，在一个时钟

周期中完成。

7-1—3微操作

对寄存器或者存储器中数据的基本操作分4类：

1.传输操作：将数据由一个寄存器传输到另

一寄存器。

2.算术操作：将寄存器中数据执行算术运算。

3.逻辑操作：将寄存器中数据执行逻辑运算。

4.挪移操作：将寄存器中数据进行挪移。

传输微操作不改变数据，其它微操作可能产生新

数据。

在数字系统中，利用基本微操作构建操作序列以

完成复杂操作。

各种微操作的符号表示及对应硬件逻辑。

算术微操作：

符号表示描述

R0◄-Rl+R2R2RI、R2的内容相加传送至

R2—RHR0R2的内容「补返回R2

R()^r\^R2^1R2的内容2,补返回R2

RI<+H+1R1-R2,结臬送R0

RI7计数加

计数减

每种微操作都与执行操作的寄存器及数据处理

数字逻辑硬件相对应。

例：X・K：RI-R1+R2

XK：RI-R1+R2+1

C：进位。V：溢出。

X选择操作（加、减），K加载结果进R1。

关于溢出：（pl43）

对于无符号数加减，检测最高位进、借位C,C=l,结果溢出。

对于有符号数加减，检测V，CC,C=1,结果溢出，结果

n1I

包含n+1位，实际结果是右边n位，第n+1位是符号位。

例：进位01进位：10

+7001(X)0110-7010111010

+8001010000-801011(X)00

15001101010

逻辑微操作:

符号枣示描述

R-R1逻辑反（1'补）

0-R1逻辑与

R—/XR2逻辑或者

o—R1a逻辑异或者

R1H-R2

R

0

挪移微操作:

类型符号表示源R2（移前）目的R1（移后）

左移R1七M21C01111000111100

右移Rl>4*R2110010101110010

7-1—4基于多路选择器的传输

K1:RO—RI,/KI-K2：RO—R2

Mux

Rl

7—1—5基于总线的传输

单总线传输：

三态总线传输:

n

存储器传输：

Read：DR<_MLA2]

Write：M【AR】一DR

在计算机系统中，不采用对微操作单独设置对应

寄存器和处理逻辑的方式，而采用寄存器堆共享操作

单元ALU的构建方式，可实现多种微操作。

寄存器传输操作在一个时钟周期内完成，源寄存

器的内容被ALU处理，结果转送至目的寄存器。

将这种形式的数据通道和控制单元二部份结合，

便构成计算机处理器CPUo

数据通道中的寄存器堆和多功能处理器通过总

线互联，完成各种微操作。

7—1—7算术逻辑单元ALU

执行一套基本的算术、逻辑微操作的组合电路。

11FS操作F

00000

FAB=AF=

S100001A+1F=

00010A+BF=

1Function00011

VA+B4JF

C1Unit(X)l()()

100101=A+BF

N=A-FB+1

Z1F00110

00111F=A-1F

101000=A

01010F=A/\B

FS：操作码。()1100F=AVB

OHIOF=^PFB

10000

A、B：数据输入。F=^A

10100F=B

11000

F：数据输出。F=srB

F=slB

V：溢出，C：进、借位，N：负，Z：Oo

7—1—9控制字

数据通道中的选择变量控制着在任一给定时钟

数据通道所进行的操作。

假设上述数据通道中寄存器堆中的寄存器数为

8,则数据通道共有17位控制输入。这些控制输入的

组合值被称为控制字。控制字根据功能分为7个部份，

每一个部份称为域，用符号代表。

寄存器域：AA—选择输出A总线寄存器，3位。

BA—选择输出B总线寄存器，3位。

DA-选择输入D总线寄存器，3位。

FS域：控制微操作功能，5位。

MB域：对B总线接入BA指定寄存器内容或者常

数选择，1位。

MD域：对D总线接入功能单元输出或者数据入选

择，1位。

RW域：决定DA选择寄存器是否写入，1位。

控制字格式：

161514131211109876543210

15~ABraFM

B"R

控制字编码:

DA,AA,BAMBFSMDRW

FunctioncodeFunctioncodeFunctionFcodeFunctioncodeFunctioncode

Register0=AF=()(X)(X)Function0N□write0

Rl001Constant1A+1F=00001Data1Wrte1

R2010A+BF=00010

R3OilA+B+1F00011

00100

R4100=A+BF

00101

R5101=A+BT1

00110

R6110F=A-1F

001II

R7111

=AF=01000

AABF=01010

AVBF=01KX)

A+也F=OHIO

A-10000

F=B10100

F=srB11000

F=sIB

RI—R2+R3+1

域DAi3BA4BFSMDRW

符号RlR2<3RcgisterF=A+B+rFuiictionWrite