數(shù)字邏輯電路

數(shù)字邏輯電路第1頁/共153頁第八章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計

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組合邏輯電路和時序邏輯電路只能完成某些特定的邏輯功能，屬功能部件級。電路分析和設(shè)計是建立在真值表、卡諾圖、邏輯方程式、狀態(tài)表和狀態(tài)圖的工具基礎(chǔ)上，主要依賴于設(shè)計者的的熟練技巧和經(jīng)驗，稱“湊試法”。

若由功能部件級組成一個功能復(fù)雜、規(guī)模較大的數(shù)字系統(tǒng)時，雖然在理論上仍可以把它看成是一個大型時序邏輯電路，仍可以采用湊試法，但實際實現(xiàn)上很難、甚至無法達到完整地描述其邏輯功能。因為這種設(shè)計方法：原始、受限制最多、效率與效果均欠佳、局限性大。要用方框圖、定時圖、邏輯流程圖、ASM圖、MDS圖等系統(tǒng)描述工具。第2頁/共153頁對數(shù)字系統(tǒng)進行分析和設(shè)計時，通常把系統(tǒng)從邏輯上劃分成控制單元CU和信息處理單元兩大部分。其中：信息處理單元對信息進行不同的處理和傳遞，控制單元保證信息處理單元按規(guī)定的微操作序列處理數(shù)據(jù)?？刂茊卧粩嗌珊桶l(fā)送控制信號序列，控制信息處理單元不斷地執(zhí)行特定的操作；

——接收來自信息處理單元的狀態(tài)信息，用以選擇下一個需執(zhí)行的操作。

——接收外來的控制信息，用以改變正在執(zhí)行的操作序列?？刂茊卧菂^(qū)別數(shù)字系統(tǒng)與功能部件的標志。第3頁/共153頁8.1數(shù)字系統(tǒng)的基本模型輸入接口輸入信息外部輸入的控制信號輸入接口外部輸出的控制信號輸出接口輸出信息輸出接口控制單元控制信號狀態(tài)信號控制流數(shù)據(jù)流數(shù)字邏輯系統(tǒng)信息處理單元時鐘第4頁/共153頁8.1.1信息處理單元的構(gòu)成狀態(tài)信息S控制網(wǎng)絡(luò)τ1τm???τ傳送脈沖控制信號CQ1τ1內(nèi)部寄存器組通用寄存器專用寄存器存儲器數(shù)據(jù)通路：總線結(jié)構(gòu)專用線???x1xk輸入信息???z1zk輸出信息組合邏輯網(wǎng)絡(luò)有P位，表示可執(zhí)行的P種基本操作，且可并行、或互斥有R位，表示執(zhí)行時的2R

種狀態(tài)Qmτm第5頁/共153頁狀態(tài)信息表及操作表舉例S的編碼位該編碼位定義的狀態(tài)標志S1S1:=(x＞0)S2S2:=(x=0)S3S3:=(x＜0)SrSr:=(Q1=x)∨(Q2=x)控制信號C執(zhí)行的操作C1:=CLRQ1

←0C2:=ADDQ1←Q1+xC3:=SUBQ1←Q1－xCp:=INCQ1←Q1+1??????（a）狀態(tài)信息表??????（b）操作表第6頁/共153頁8.1.2控制單元CU的構(gòu)成將數(shù)字系統(tǒng)執(zhí)行的復(fù)雜任務(wù)轉(zhuǎn)化成一個操作和測試序列，稱為“算法”。用控制單元產(chǎn)生與操作序列相對應(yīng)的控制信號序列，每一個控制信號控制信息處理單元執(zhí)行與算法相關(guān)的一個操作。所以，控制單元的基本功能具體上是對指令流和數(shù)據(jù)流實施時間上和空間上的正確的控制。組合邏輯網(wǎng)絡(luò)Q狀態(tài)寄存器算法的現(xiàn)態(tài)算法的次態(tài)外部輸入控制信息外部輸出控制信息SCτyY第7頁/共153頁8.1.2控制單元CU的構(gòu)成控制單元的核心是時序電路，本質(zhì)上是一個狀態(tài)寄存器。狀態(tài)寄存器主要有兩個功能——寄存控制單元的現(xiàn)態(tài)，生成次態(tài)。采用觸發(fā)器作為狀態(tài)寄存器的元件。存在著兩種不同的控制單元實現(xiàn)方法：硬件邏輯方法——用邏輯電路生成每一個微操作的控制信號；特點：速度高、動一發(fā)而動全身。微程序方法——計算機的每一條指令的功能通過執(zhí)行一個微指令序列(微程序)來實現(xiàn)的。設(shè)計好的微程序被固化在只讀存儲器中，這個存儲器稱為控制存儲器?？刂破靼次⒊绦虻膱?zhí)行步驟逐個發(fā)出控制信號。特點：速度低、但設(shè)計、修改及擴充容易。顯然，采用不同的實現(xiàn)方法，將影響控制單元的組成和結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代計算機控制器中，常常兩者混用。第8頁/共153頁數(shù)字系統(tǒng)邏輯設(shè)計的基本步驟第一步：確定系統(tǒng)的邏輯功能。設(shè)計者應(yīng)對系統(tǒng)仔細分析、消化和理解，逐步明確其邏輯功能，輸入、輸出信號等內(nèi)容。第二步：確定系統(tǒng)方案。這是設(shè)計工作中最困難、最有創(chuàng)造性的工作，設(shè)計者根據(jù)設(shè)計要求分析推演出信息處理的基本原理和可供選擇的結(jié)構(gòu)形式，因為可以采用不同的原理和方法實現(xiàn)某一邏輯功能。為此設(shè)計者要進行認真的比較和權(quán)衡，從中選取較為滿意的方案。第三步：對系統(tǒng)進行邏輯劃分。將系統(tǒng)按信息處理單元和控制單元劃分為兩大部分，列出信息處理單元的說明，并用流程圖等方法描述信息處理的算法（即控制單元的邏輯要求）。每個部分應(yīng)具備基本獨立的邏輯功能。邏輯劃分和確定系統(tǒng)方案的過程要同時進行、相輔相成。第9頁/共153頁數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟第四步：設(shè)計信息處理單元和控制單元。定義要求信息處理單元必須執(zhí)行的處理和操作，列出操作表；提出實現(xiàn)的算法，確定控制單元必須保存的、或產(chǎn)生的狀態(tài)及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系；由系統(tǒng)的控制狀態(tài)、信息處理單元產(chǎn)生的狀態(tài)信息和要求生成的控制信號建立控制單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表；根據(jù)信息處理單元的操作表和狀態(tài)信息、控制單元的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,進行邏輯設(shè)計。選擇邏輯功能部件，如SSI、MSI、LSI等，進行合理連接，構(gòu)成嚴格能協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng)。第10頁/共153頁8.2數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的描述工具8.2.1方框圖設(shè)計系統(tǒng)首先應(yīng)當建立模型，方框圖是描述模型最常用、最重要的工具。方框圖不涉及過多的技術(shù)細節(jié)，直觀易懂，具有：結(jié)構(gòu)化設(shè)計——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰和易理解性，易構(gòu)思設(shè)計等在方框圖中：每一個方框定義了一個信息處理、存儲或傳遞的子系統(tǒng)（或模塊）；方框內(nèi)用文字、表達式、例行符號、圖形表示該模塊的名稱或主要功能；方框之間用指向線相連，表示模塊之間的數(shù)據(jù)流或信息流的信息通道及方向，連線旁的文字或符號是通道的名稱、功能或信息類型。方框圖的設(shè)計過程：自頂而下、逐步細化。第11頁/共153頁例一個智能儀表的方框圖。系統(tǒng)??????輸入輸出(a)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)打印控制器輸入輸出(c)CC(b)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)打印控制器輸入輸出CC輸入/輸出接口M寄存器A寄存器ALUCCCC(d)分解再分解細化第12頁/共153頁上例設(shè)計的這種結(jié)構(gòu)框圖，其任何一處的功能修改和擴充均涉及全局，而且總控制器的設(shè)計將十分復(fù)雜。若采用總線結(jié)構(gòu)，則該智能儀表的方框圖如下：DataBUSAddBUSContlBUS輸入接口微處理器存儲器輸出接口數(shù)據(jù)采集模塊顯示器打印機數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)同一種功能的數(shù)字系統(tǒng)，可以設(shè)計出不同的結(jié)構(gòu)，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，任何設(shè)計優(yōu)化的考慮都要比物理實現(xiàn)階段中的技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)生大得多的效益，這是系統(tǒng)設(shè)計過程中最具創(chuàng)造性的工作。第13頁/共153頁8.2數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的描述工具8.2.2定時圖(時序圖、時間關(guān)系圖)在數(shù)字系統(tǒng)中，信息的傳送、處理或存儲都是在特定時間意義上的操作，是按照嚴格的時序進行協(xié)調(diào)和同步的。系統(tǒng)各模塊之間，模塊內(nèi)部各功能部件之間、各功能部件內(nèi)部的各邏輯門電路或觸發(fā)器之間，輸入信號、輸出信號和控制信號的對應(yīng)關(guān)系及特征，通常用時序圖來描述。時序圖的描述也是一個逐步細化的過程。從描述系統(tǒng)輸入、輸出之間的定時關(guān)系的簡單時序圖開始，隨著系統(tǒng)設(shè)計的不斷深入，時序圖將不斷地反映新出現(xiàn)的系統(tǒng)內(nèi)部信號的時序關(guān)系，直到最終一個完整的時序圖。第14頁/共153頁例交通燈控制系統(tǒng)：要求N、S綠燈常亮，E、W紅燈常亮NSEWETWT燈燈燈燈傳感器傳感器(a)示意圖控制器NSEWETWT(b)框圖關(guān)注各信號：電平/脈沖、同步/異步t1t2t3t4(c)定時圖N/SRedN/SYellowN/SGreenE/WRedE/WYellowE/WGreenET/WT固定的時間片第15頁/共153頁8.2.3邏輯流程圖也稱流程圖，它用約定的幾何圖形(矩形、菱形、橢圓形等)、指向線和簡練的文字說明，描述系統(tǒng)的基本工作過程。邏輯流程圖的描述對象是控制單元，并且以系統(tǒng)時鐘來驅(qū)動整個流程。這一點與由事件驅(qū)動的軟件流程圖不同。功能說明或狀態(tài)名入口出口狀態(tài)輸出表(a)狀態(tài)框條件條件假出口0入口條件真出口1或條件入口條件假出口0條件真出口1(b)條件判別框功能說明入口出口條件輸出表(c)條件輸出框1、基本符號用三種符號：矩形狀態(tài)框、菱形判別框、橢圓形條件框。第16頁/共153頁1、基本符號狀態(tài)框表示系統(tǒng)必須具備的狀態(tài)，判別框及條件輸出框不表示狀態(tài)，只表示某狀態(tài)框在不同的輸入條件下的分支出口及條件輸出，即用一個狀態(tài)框及若干個判別框或條件輸出框，組成一個狀態(tài)單元。

如果在某狀態(tài)下的輸出與輸入無關(guān)，即Moore型輸出，則該狀態(tài)輸出可標注在狀態(tài)框旁的狀態(tài)輸出表中，且這個狀態(tài)單元必定不包括條件輸出框。功能說明或狀態(tài)名入口出口狀態(tài)輸出表z1

↑,z2

↓,z3

↑↓z1↑表示進入狀態(tài)state，輸出z1有效。z2↓表示進入狀態(tài)state，輸出z2無效。z3↑↓表示進入狀態(tài)state，輸出z3有效，并在退出狀態(tài)state，輸出z3無效。第17頁/共153頁1、基本符號

如果在某狀態(tài)下的輸出與輸入有關(guān)，即Mealy型輸出，則該狀態(tài)輸出要標注在菱形判別框下的橢圓形條件框旁的狀態(tài)輸出表中。z1↑表示進入狀態(tài)，z1有效。z2↓表示進入狀態(tài)，z2無效。z3↑↓表示進入狀態(tài)，z3有效，并在退出狀態(tài)，z3無效。功能說明或狀態(tài)名入口狀態(tài)輸出表z1

↑,z2

↓,z3

↑↓條件條件假出口0條件真出口1功能說明出口第18頁/共153頁3、邏輯流程圖的應(yīng)用例設(shè)計一個十字路口交通燈控制系統(tǒng)。

這個例子來自美國加洲美麗之城太陽谷Sunnyvale市，其十字路口的交通燈控制器經(jīng)過了仔細設(shè)計，以使得汽車在十字路口的等待時間最小化。這個經(jīng)市政部門認可的交通燈管理系統(tǒng)，后應(yīng)用于芝加哥。該系統(tǒng)使用了一個1Hz的時鐘和三個計數(shù)器，以及4組傳感裝置，下面是示意圖。邏輯流程圖的描述過程是一個逐步細化（深化）的過程。它既便于設(shè)計者發(fā)現(xiàn)和改進信息處理過程中的錯誤，又是后續(xù)電路設(shè)計的依據(jù)。第19頁/共153頁加洲太陽谷的一個十字路口的交通燈傳感器和信號NSCAREWCAREWCARNSCARNEWREDEWYELLOWEWGREENNSREDNSYELLOWNSGREENEWREDEWYELLOWEWGREENNSREDNSYELLOWNSGREENE第20頁/共153頁若EW及NS均有車，則EW每次通行60秒(綠燈)，NS每次通行40秒(綠燈)，

EW、NS輪流放行；若僅有一個通道有車，則禁止無車通道(紅燈)；若兩通道均無車，則NS禁止，EW

放行；若通道轉(zhuǎn)換時，兩通道均需停車3秒(黃燈)。例設(shè)計一個十字路口交通燈控制系統(tǒng)。設(shè)：東西道(EW)為主道，南北道(NS)為副道?？驁DEWCARNSCAR交通燈控制系統(tǒng)燈控信號變量定義監(jiān)測器輸出輸出燈光信號NSCAREWCAR(由ET、STWT、NT生成)NSRedNSGeenNSYellowEWRedEWGeenEWYellow第21頁/共153頁若EW及NS均有車，則EW每次通行60秒(綠燈)，NS每次通行40秒(綠燈)，

EW、NS輪流放行；若僅有一個通道有車，則禁止無車通道(紅燈)；若兩通道均無車，則NS禁止，EW

放行；若通道轉(zhuǎn)換時，兩通道均需停車3秒(黃燈)。例設(shè)計一個十字路口交通燈控制系統(tǒng)。設(shè)：東西道(EW)為主道，南北道(NS)為副道。框圖EWCARNSCAR交通燈控制系統(tǒng)燈控信號變量定義監(jiān)測器輸出定時器輸出輸出燈光信號NSCAREWCAR(由ET、STWT、NT生成)TM60TM40TM3(計數(shù)器的進位輸出)NSRedNSGeenNSYellowEWRedEWGeenEWYellow第22頁/共153頁若EW及NS均有車，則EW每次通行60秒(綠燈)，NS每次通行40秒(綠燈)，

EW、NS輪流放行；若僅有一個通道有車，則禁止無車通道(紅燈)；若兩通道均無車，則NS禁止，EW

放行；若通道轉(zhuǎn)換時，兩通道均需停車3秒(黃燈)。例設(shè)計一個十字路口交通燈控制系統(tǒng)。設(shè)：東西道(EW)為主道，南北道(NS)為副道?？驁DEWCARNSCAR交通燈控制系統(tǒng)燈控信號變量定義監(jiān)測器輸出定時器輸出定時器使能輸入輸出燈光信號NSCAREWCAR(由ET、STWT、NT生成)TM60TM40TM3(計數(shù)器的進位輸出)ENTM60ENTM40ENTM3NSRedNSGeenNSYellowEWRedEWGeenEWYellow第23頁/共153頁系統(tǒng)配有三個3秒、40秒和60秒的定時器，如下：定時器在系統(tǒng)中起到時間節(jié)拍指揮的作用，各部件均按照統(tǒng)一的時間節(jié)拍協(xié)調(diào)地工作。模3計數(shù)器模40計數(shù)器模60計數(shù)器分頻器CLKCP（周期1秒）進位輸出信號啟動(使能)計數(shù)信號第24頁/共153頁十字路口交通燈控制器邏輯框圖啟動南北停車東西停車3秒東西停車南北停車3秒東西道禁止南北道通行

南北無車或南北、東西均有車且達到40秒01東西道通行南北道禁止南北有車且東西無車或南北、東西均有車且達到60秒01a.粗框圖若EW及NS均有車，則EW每次通行60秒(綠燈)，NS每次通行40秒(綠燈)，EW、NS輪流放行；若僅有一個通道有車，則禁止無車通道(紅燈)；若兩通道均無車，則NS禁止，EW

放行；若通道轉(zhuǎn)換時，兩通道均需停車3秒(黃燈)。第25頁/共153頁十字路口交通燈控制器邏輯框圖啟動南北停車東西停車3秒東西停車南北停車3秒東西道禁止南北道通行

南北無車或南北、東西均有車且達到40秒01東西道通行南北道禁止南北有車且東西無車或南北、東西均有車且達到60秒01a.粗框圖STARTEWPASS,NSSTOPNSCAR=1EWCAR=160秒?000111EWSTOP,NSPASSNSCAR=1EWCAR=140秒?0001113秒?01EWHOLD,NSHOLD3秒?0EWHOLD,NSHOLD1b.細框圖第26頁/共153頁十字路口交通燈控制器邏輯框圖啟動南北停車東西停車3秒東西停車南北停車3秒東西道禁止南北道通行

南北無車或南北、東西均有車且達到40秒01東西道通行南北道禁止南北有車且東西無車或南北、東西均有車且達到60秒01a.粗框圖STARTEWPASS,NSSTOPNSCAR=1EWCAR=160秒?000111EWSTOP,NSPASSNSCAR=1EWCAR=140秒?0001113秒?01EWHOLD,NSHOLD3秒?0EWHOLD,NSHOLD1b.細框圖第27頁/共153頁十字路口交通燈控制器邏輯框圖啟動南北停車東西停車3秒東西停車南北停車3秒東西道禁止南北道通行

南北無車或南北、東西均有車且達到40秒01東西道通行南北道禁止南北有車且東西無車或南北、東西均有車且達到60秒01a.粗框圖STARTEWPASS,NSSTOPNSCAR=1EWCAR=160秒?000111EWSTOP,NSPASSNSCAR=1EWCAR=140秒?0001113秒?01EWHOLD,NSHOLD3秒?0EWHOLD,NSHOLD1b.細框圖第28頁/共153頁十字路口交通燈控制器邏輯框圖啟動南北停車東西停車3秒東西停車南北停車3秒東西道禁止南北道通行

南北無車或南北、東西均有車且達到40秒01東西道通行南北道禁止南北有車且東西無車或南北、東西均有車且達到60秒01a.粗框圖STARTEWPASS,NSSTOPNSCAR=1EWCAR=160秒?000111EWSTOP,NSPASSNSCAR=1EWCAR=140秒?0001113秒?01EWHOLD,NSHOLD3秒?0EWHOLD,NSHOLD1b.細框圖第29頁/共153頁十字路口交通燈控制器邏輯框圖啟動南北停車東西停車3秒東西停車南北停車3秒東西道禁止南北道通行

南北無車或南北、東西均有車且達到40秒01東西道通行南北道禁止南北有車且東西無車或南北、東西均有車且達到60秒01a.粗框圖STARTEWPASS,NSSTOPNSCAR=1EWCAR=160秒?000111EWSTOP,NSPASSNSCAR=1EWCAR=140秒?0001113秒?01EWHOLD,NSHOLD3秒?0EWHOLD,NSHOLD1b.細框圖第30頁/共153頁十字路口交通燈控制器邏輯流程圖STARTEWPASS,NSSTOPNSCAR=1EWCAR=1TM60=1000111EWSTOP,NSPASSNSCAR=1EWCAR=1TM40=1000111EWRedNSGreenENTM40↑↓↑↓↑↓EWYellowNSYellowENTM3↑↓↑↓↑↓TM3=101EWHOLD,NSHOLDEWYellowNSYellowENTM3↑↓↑↓↑↓TM3=10EWHOLD,NSHOLD1c.標注輸入輸出及信號名的邏輯細框圖（Moore型）EWRed

↓EWGeen

NSRedENTM60↑↓↑↓↑↓EWGeen

NSRedENTM60↑↓↑↓第31頁/共153頁十字路口交通燈控制器邏輯流程圖STARTEWPASS,NSSTOPNSCAR=1EWCAR=1TM60=1000111EWSTOP,NSPASSNSCAR=1EWCAR=1TM40=1000111EWRedNSGreenENTM40↑↓↑↓↑↓EWYellowNSYellowENTM3↑↓↑↓↑↓TM3=101EWHOLD,NSHOLDEWYellowNSYellowENTM3↑↓↑↓↑↓TM3=10EWHOLD,NSHOLD1c.標注輸入輸出及信號名的邏輯細框圖（Moore型）EWRed

↓EWGeen

NSRedENTM60↑↓↑↓↑↓EWGeen

NSRedENTM60↑↓↑↓↑↓第32頁/共153頁3、從狀態(tài)圖得到邏輯流程圖邏輯流程圖上的一個狀態(tài)框及若干個判別框或條件輸出框所組成一個狀態(tài)單元對應(yīng)了狀態(tài)圖上的一個狀態(tài)和它的輸入輸出。如果某狀態(tài)的輸出與輸入有關(guān)(Mealy型)，則邏輯流程圖中對應(yīng)的狀態(tài)單元必定包括有條件輸出框；如果某狀態(tài)的輸出與輸入無關(guān)(Moore型)，則邏輯流程圖中對應(yīng)的狀態(tài)單元必定沒有條件輸出框。0C/1A/0B/0D/11111000Moore型狀態(tài)圖0/0CABD1/01/01/11/10/00/00/1Mealy型狀態(tài)圖第33頁/共153頁8.2.4ASM圖邏輯流程圖是數(shù)字系統(tǒng)中使用得最廣泛的一種非形式化的描述工具，但它的規(guī)范性不夠。經(jīng)過不斷改進，將流程圖改造成描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的形式化工具——算法狀態(tài)機圖ASM(AlgorithmicStateMachineCharp)。ASM圖是形式化描述數(shù)字系統(tǒng)的流程圖，是按照一組簡單和明確的規(guī)則繪制的。在時序電路的ASM圖中，每一個狀態(tài)由一個ASM塊來表示。一個ASM塊是一種小型的符號化結(jié)構(gòu)圖形，由它指出了當前狀態(tài)、它的輸出和次態(tài)的條件。一個時序數(shù)字系統(tǒng)的所有狀態(tài)的ASM塊，按照一定的順序聯(lián)結(jié)成一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生的ASM圖可用來精確地描述系統(tǒng)所具有的功能。第34頁/共153頁1、基本符號一個ASM塊至多包含三種不同類型的符號：矩形狀態(tài)框、菱形判別框和條件輸出框。注意圖的標注（左邊）與流程圖的（右邊）不同。入口出口狀態(tài)輸出表(a)ASM的狀態(tài)框狀態(tài)名狀態(tài)編碼其中：狀態(tài)編碼為該狀態(tài)下的觸發(fā)器值。功能說明或狀態(tài)名入口出口狀態(tài)輸出表(a)流程圖的狀態(tài)框第35頁/共153頁1、基本符號一個ASM塊至多包含三種不同類型的符號：矩形狀態(tài)框、菱形判別框和條件輸出框。注意圖的標注與流程圖的不同。條件入口條件假出口0條件真出口1(b)ASM的判別框其中：框內(nèi)的輸入條件為布爾表達式。條件條件假出口0入口條件真出口1或條件入口條件假出口0條件真出口1(b)流程圖的條件判別框第36頁/共153頁1、基本符號一個ASM塊至多包含三種不同類型的符號：矩形狀態(tài)框、菱形判別框和條件輸出框。注意圖的標注與流程圖的不同。條件輸出表入口出口(c)條件輸出框條件輸出框的輸入總是來自判別框，由這個判別框給出了輸出所需要的條件，即在某一狀態(tài)下，某個輸出變量是輸入變量的函數(shù)，就在條件輸出框中填入條件滿足時產(chǎn)生的輸出。功能說明入口出口條件輸出表(c)條件輸出框第37頁/共153頁2、由邏輯流程圖轉(zhuǎn)換成ASM圖ASM圖可以直接送入計算機輔助邏輯設(shè)計系統(tǒng)，由該系統(tǒng)自動完成控制單元的設(shè)計。邏輯流程圖可以很容易地轉(zhuǎn)換成ASM圖。在ASM圖中，所有的當前狀態(tài)下的Moore型有效輸出都應(yīng)列在狀態(tài)框內(nèi)；所有的當前狀態(tài)下的滿足輸入條件的Mealy型有效輸出都應(yīng)列在條件輸出框內(nèi)。第38頁/共153頁十字路口交通燈控制器ASM圖NSCAREWCAR000111EWGeen

NSRed,ENTM6000ATM60TM301NSYellowEWYellow,ENTM3B01STARTEWPASS,NSSTOPNSCAR=1EWCAR=1TM60=1000111TM3=101EWHOLD,NSHOLDEWYellowNSYellowENTM3↑↓↑↓↑↓EWRed

↓EWGeen

NSRedENTM60↑↓↑↓↑↓EWRed

↓EWGeen

NSRedENTM60↑↓↑↓↑↓第39頁/共153頁十字路口交通燈控制器ASM圖NSCAREWCARTM40000111NSGreenEWRed,ENTM4011CTM301EWYellowNSYellow,ENTM310DEWSTOP,NSPASSNSCAR=1EWCAR=1TM40=1000111EWRedNSGreenENTM40↑↓↑↓↑↓TM3=10EWHOLD,NSHOLD1EWYellowNSYellowENTM3↑↓↑↓↑↓第40頁/共153頁十字路口交通燈控制器ASM圖NSCAREWCARTM40000111NSGreenEWRed,ENTM4011CNSCAREWCAR000111EWGeen

NSRed,ENTM6000ATM60TM301NSYellowEWYellow,ENTM3B01TM301EWYellowNSYellow,ENTM310D第41頁/共153頁3、應(yīng)用ASM圖進行數(shù)字系統(tǒng)中控制器的設(shè)計主要步驟：（1）按設(shè)計要求寫出問題說明。（2）定義輸入、輸出信號并用助記符表示。（3）將問題說明轉(zhuǎn)換成詳細邏輯流程圖。（4）將詳細邏輯流程圖轉(zhuǎn)換成ASM圖。（5）從ASM圖得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。（6）由狀態(tài)轉(zhuǎn)換表得到次態(tài)方程式，從ASM圖列出輸出函數(shù)表達式。（7）按照次態(tài)方程式及輸出函數(shù)表達式，畫出控制器邏輯電路圖。第42頁/共153頁4、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表

按照ASM圖中的每一個ASM塊中判別框和條件輸出框內(nèi)標注的有效輸入，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表，如下：現(xiàn)態(tài)輸入條件狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式次態(tài)S(A)NSCAREWCARTM60Sn+1Q1Q0Q1Q0Q1Q0Q1Q0NSCAREWCAR000111EWGeen

NSRed,ENTM6000ATM60第43頁/共153頁4、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表

按照ASM圖中的每一個ASM塊中判別框和條件輸出框內(nèi)標注的有效輸入，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表，如下：現(xiàn)態(tài)輸入條件狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式次態(tài)S(A)NSCAREWCARTM60Sn+1Q1Q00AQ1Q0Q1Q0Q1Q0NSCAREWCAR000111EWGeen

NSRed,ENTM6000ATM60第44頁/共153頁4、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表

按照ASM圖中的每一個ASM塊中判別框和條件輸出框內(nèi)標注的有效輸入，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表，如下：現(xiàn)態(tài)輸入條件狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式次態(tài)S(A)NSCAREWCARTM60Sn+1Q1Q00——AQ1Q0Q1Q0Q1Q0NSCAREWCAR000111EWGeen

NSRed,ENTM6000ATM60第45頁/共153頁4、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表

按照ASM圖中的每一個ASM塊中判別框和條件輸出框內(nèi)標注的有效輸入，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表，如下：現(xiàn)態(tài)輸入條件狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式次態(tài)S(A)NSCAREWCARTM60Sn+1Q1Q00——NSCARAQ1Q0Q1Q0Q1Q0NSCAREWCAR000111EWGeen

NSRed,ENTM6000ATM60第46頁/共153頁4、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表

按照ASM圖中的每一個ASM塊中判別框和條件輸出框內(nèi)標注的有效輸入，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表，如下：現(xiàn)態(tài)輸入條件狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式次態(tài)S(A)NSCAREWCARTM60Sn+1Q1Q00——NSCARAQ1Q010—NSCAR?EWCARBQ1Q0110NSCAR?EWCAR?TM60AQ1Q0111NSCAR?EWCAR?TM60BNSCAREWCAR000111EWGeen

NSRed,ENTM6000ATM60第47頁/共153頁4、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表

按照ASM圖中的每一個ASM塊中判別框和條件輸出框內(nèi)標注的有效輸入，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表，如下：現(xiàn)態(tài)輸入條件狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式次態(tài)S(B)TM3Sn+1Q1Q00TM3BQ1Q01TM3CTM301NSYellowEWYellow,ENTM3B01C第48頁/共153頁4、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表現(xiàn)態(tài)輸入條件狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式次態(tài)SNSCAREWCARTM40TM3Sn+1Q1Q00———NSCARDQ1Q010——NSCAR?EWCARCQ1Q0110—NSCAR?EWCAR?TM60CQ1Q0111—NSCAR?EWCAR?TM60DQ1Q0———0TM3DQ1Q0———1TM3ANSCAREWCARTM40000111NSGreenEWRed,ENTM4011CTM301EWYellowNSYellow,ENTM310DA第49頁/共153頁5、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

由狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式表合并成狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如下：現(xiàn)態(tài)輸入條件狀態(tài)轉(zhuǎn)換表達式次態(tài)S(A)NSCAREWCARTM60Sn+1Q1Q00——NSCARAQ1Q010—NSCAR?EWCARBQ1Q0110NSCAR?EWCAR?TM60AQ1Q0111NSCAR?EWCAR?TM60BSQ1Q0轉(zhuǎn)換條件表達式Sn+1Q1n+1Q0n+1A00NSCARA00A00NSCAR?EWCARB01A00NSCAR?EWCAR?TM60A00A00NSCAR?EWCAR?TM60B01第50頁/共153頁十字路口交通燈控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表SQ1Q0轉(zhuǎn)換條件表達式Sn+1Q1n+1Q0n+1A00NSCARA00A00NSCAR?EWCARB01A00NSCAR?EWCAR?TM60A00A00NSCAR?EWCAR?TM60B01B01TM3B01B01TM3C11C11NSCARD10C11NSCAR?EWCARC11C11NSCAR?EWCAR?TM40C11C11NSCAR?EWCAR?TM40D10D10TM3D10D10TM3A00第51頁/共153頁十字路口交通燈控制器次態(tài)方程式Q1n+1

=Q1?Q0?TM3+Q1?Q0?NSCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR?TM40+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR?TM40+Q1?Q0?TM3由于次態(tài)為Sn+1=S?(轉(zhuǎn)換條件表達式)，由前表可得到次態(tài)方程式并化簡為：=Q1?Q0?TM3+Q1?Q0?NSCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR+Q1?Q0?TM3=Q1?Q0?TM3+Q1?Q0?NSCAR+Q1?Q0?NSCAR+Q1?Q0?TM3=Q1?Q0?TM3+Q1?Q0+Q1?Q0?TM3=Q1?Q0?TM3+Q1?Q0?TM3+Q1?Q0?TM3+Q1?Q0?TM3=Q0?TM3+Q1?TM3此方程也稱為次態(tài)Qn+1的轉(zhuǎn)移方程，包含有轉(zhuǎn)換條件表達式。第52頁/共153頁十字路口交通燈控制器次態(tài)方程式

由于次態(tài)為Sn+1=S?(轉(zhuǎn)換條件表達式)，由前表可得到次態(tài)方程式：Q1n+1

=Q1?Q0?TM3+Q1?Q0?NSCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR?TM40+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR?TM40+Q1?Q0?TM3=Q0?TM3+Q1?TM3Q0n+1

=Q1?Q0?NSCAR?EWCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR?TM60+Q1?Q0?TM3+Q1?Q0?TM3

+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR?TM40第53頁/共153頁選用D觸發(fā)器構(gòu)成的控制系統(tǒng)，次態(tài)Qn+1=D

則可直接寫出控制函數(shù)：D1

=Q1?Q0?TM3+Q1?Q0?NSCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR?TM40+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR?TM40+Q1?Q0?TM3=Q0?TM3+Q1?TM3D0

=Q1?Q0?NSCAR?EWCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR?TM60+Q1?Q0?TM3+Q1?Q0?TM3

+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR+Q1?Q0?NSCAR?EWCAR?TM40第54頁/共153頁由ASM圖可直接寫出輸出函數(shù)表達式EWGreen=Q1?Q0NSRed=Q1?Q0NSYellow=Q1?Q0EWYellow=Q1?Q0NSGreen=EWRed=ENTM60=Q1?Q0ENTM40=ENTM3=Q1?Q0Moore型電路NSCAREWCAR000111EWGeen

NSRed,ENTM6000ATM60TM301NSYellowEWYellow,ENTM3B01C第55頁/共153頁由ASM圖可直接寫出輸出函數(shù)表達式EWGreen=Q1?Q0NSRed=Q1?Q0NSYellow=Q1?Q0+Q1?Q0

=Q1⊕Q0EWYellow=Q1?Q0+Q1?Q0

=Q1⊕Q0NSGreen=Q1?Q0EWRed=Q1?Q0ENTM60=Q1?Q0ENTM40=Q1?Q0ENTM3=Q1?Q0+Q1?Q0=Q1⊕

Q0可選用D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器及門電路構(gòu)成控制系統(tǒng)。NSCAREWCARTM40000111NSGreenEWRed,ENTM4011CTM301EWYellowNSYellow,ENTM310D第56頁/共153頁十字路口交通燈

控制器邏輯框圖模3計數(shù)器模40計數(shù)器模60計數(shù)器分頻器CLKCP（周期1秒）TM60ENTM3TM40TM3ENTM40ENTM60Q0D1D0Q1QDCLKQDCLK輸出組合邏輯ENTM3ENTM40ENTM60EWREDEWGREENEWYELLOWNSREDNSGREENNSYELLOW控制組合邏輯EWCARNSCAR第57頁/共153頁ASM圖的特點

ASM圖為時序電路系統(tǒng)提供了形式化描述方法。在ASM圖中，每個狀態(tài)框僅有一個出口（分支由判斷框提供），保證了無二義性，且自動滿足閉合性和完整性。由于每個ASM塊只能描述系統(tǒng)的一個狀態(tài)，對于計算機和類似的復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)來說，僅僅采用ASM圖作為硬件的描述工具是不夠的，因此，需要一種功能更強的形式化工具來描述和定義數(shù)字系統(tǒng)中的操作和實現(xiàn)這些操作的硬件結(jié)構(gòu)。

寄存器傳送語言（RTL）就是這種形式語言之一。第58頁/共153頁8.3寄存器傳送語言

寄存器傳送語言(RTL)是一種用以描述數(shù)字系統(tǒng)各種設(shè)備以及它們之間相互連接和相互關(guān)系的形式語言。這是一種硬件描述語言，可以直接對操作過程和系統(tǒng)進行描述，并可由此得到系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。

寄存器傳送語言中的各種符號和表達式都要與執(zhí)行所述微操作的寄存器和其他邏輯部件相對應(yīng)，一旦脫離了具體的寄存器和其他邏輯部件，這些符號和表達式便失去了它的意義。第59頁/共153頁目前，存在著各式各樣的寄存器傳送語言，尚無統(tǒng)一的規(guī)范和標準，此節(jié)只介紹一種最簡便的寄存器傳送語言。用寄存器傳送語言描述數(shù)字系統(tǒng)時，寄存器的涵義是廣泛的，它包括了所有形式的寄存器：如移位寄存器

計數(shù)器

存儲器等。計數(shù)器可看作具有使存儲著的信息進行加、減和移位功能的寄存器；存儲器可以看作是存儲信息的寄存器集合。這樣，任何形式的時序電路都被看作寄存器。

第60頁/共153頁

這種寄存器傳送語言的語句通常包括控制功能和微操作表其中：控制功能確定了控制條件和微操作的時序，微操作表確定了對存儲在寄存器中的信息所進行的基本操作。

控制功能可以由定時信號組成，也可以根據(jù)以前的操作結(jié)果決定。當控制信號為某一個二進制狀態(tài)時，就啟動某個操作，而為另一個狀態(tài)時，則禁止這種操作。

數(shù)字系統(tǒng)中最常見的微操作有：

寄存器傳送微操作算術(shù)微操作邏輯微操作移位微操作對存儲在寄存器中的信息所進行的微操作與數(shù)據(jù)的類型有關(guān)。計算機常用的信息有數(shù)字數(shù)據(jù)、非數(shù)字數(shù)據(jù)及其他控制信息。8.3.1最簡便的寄存器傳送語言第61頁/共153頁1、寄存器傳送操作

對寄存器所存信息的加工和存儲稱為寄存器傳送操作。在數(shù)字系統(tǒng)中，寄存器一般用大寫字母（有時還加上數(shù)字）表示。例：如下圖，用符號A，B，R1，R2，MAR等表示寄存器。如果寄存器有n位，則寄存器的各觸發(fā)器按從左到右（或從右到左）依次編號。寄存器框圖A(a)最常用的矩形框表示MBR121(c)一個12位寄存器PC(H)161PC(L)98(d)劃分為高(H)、低(L)兩字節(jié)的16位寄存器(b)劃分成若干單元并編號A8A7A6A5A3A2A1A4第62頁/共153頁

例1.傳送語句A←B

A：目標寄存器

B：源寄存器

（信息傳送完成后，A、B內(nèi)容相同）表示只有當傳送發(fā)生的條件（控制功能）成立時，即XT1=1時，才執(zhí)行傳送操作。如下圖：例2.條件傳送語句XT1：A←BABT11X控制電路&第63頁/共153頁表示寄存器傳送的基本符號符號說明示例字母(及數(shù)字)表示一個寄存器A，MBR，R2下標表示寄存器中的一位A2，A6括號()表示寄存器中的一部分PC(H)，MBR(OP)箭頭←表示信息的傳送A←B冒號：用于終止控制功能XT0：逗號，用于分隔同時執(zhí)行的多個微操作A←B，

B←C方括號[]用于指定寄存器字的地址MBR←M[MAR]注：MAR通常表示為存儲器的地址寄存器。第64頁/共153頁例3.使同一目標寄存器接收來自兩個源寄存器的信息傳送語句T1：C←AT2：C←B注意：這個語句說明控制函數(shù)T1、T2是互斥的。電路實現(xiàn)如下：CB≥1T2T1AD0D1S0MUX多路選擇器第65頁/共153頁用字母M表示存儲器，字母M后面的方括號則指明給定地址的存儲器。

功能：信息可以從存儲器讀出，

也可以將信息寫入存儲器。

例如：W：M[MAR]←MBRR：MBR←M[MAR]MARMBR存儲器RW例4.

寄存器與存儲器的信息傳送語句第66頁/共153頁2、算術(shù)操作

寄存器之間的算術(shù)微操作，如加、減、取反等。符號說明F←A+B寄存器A和B的內(nèi)容相加結(jié)果傳送到寄存器FF←A－B寄存器A和B的內(nèi)容相減結(jié)果傳送到寄存器FB←B對寄存器B的內(nèi)容取反碼，結(jié)果留B中B←B+1對寄存器B的內(nèi)容取補碼，結(jié)果留B中F←A+B+1寄存器A和B的內(nèi)容相減(取補碼相加)結(jié)果傳送到寄存器FA←A+1寄存器A的內(nèi)容加1，結(jié)果留A中A←A－1寄存器A的內(nèi)容減1，結(jié)果留A中基本算術(shù)微操作第67頁/共153頁例1.相加操作語句

T3：A←A+B表示加法操作，將寄存器A的內(nèi)容和寄存器B的內(nèi)容相加，結(jié)果送到寄存器A。實現(xiàn)這行語句需要A、B兩個寄存器，以及執(zhí)行加法運算的邏輯部件（如并行加法器），其邏輯框圖如下：BA并行加法器T3第68頁/共153頁例2.相減操作語句

T3：A←A+B+1表示加法操作，將寄存器A的內(nèi)容和寄存器B的補碼相加，這是一個減法微操作，運算結(jié)果送到寄存器A。實現(xiàn)這行語句需要A、B兩個寄存器，以及執(zhí)行補碼加法運算的邏輯部件，其邏輯框圖如下：BA并行加法器T3變補第69頁/共153頁3、邏輯操作

對寄存器內(nèi)的每一位信息進行的二進制微操作，因此這每一位信息當作一個二進制變量來處理。邏輯微操作符號說明F←A寄存器A的所有位按位求反，結(jié)果送寄存器FF←A∨B寄存器A和B的對應(yīng)位相“或”，結(jié)果送寄存器FF←A∧B寄存器A和B的對應(yīng)位相“與”，結(jié)果送寄存器FF←A⊕B寄存器A和B的對應(yīng)位相“異或”，結(jié)果送寄存器F第70頁/共153頁例.

T1＋

T2

：A←A＋

B，C←D∨E表示：控制功能為兩個控制變量T1、T2相“或”。

當T1＋

T2=1時，寄存器A和B的內(nèi)容相加，結(jié)果送寄存器A，而寄存器D和E的對應(yīng)位相“或”，結(jié)果送寄存器C。符號“＋”有兩種涵義，當它在微操作中出現(xiàn)時，表示

算術(shù)加微操作；當它在控制功能中出現(xiàn)時，表示

“或”操作。第71頁/共153頁4、移位操作

在寄存器之間數(shù)據(jù)的移位微操作，也可以表示算術(shù)、邏輯微操作和控制功能。移位微操作符號說明A←ShlA寄存器A左移一位A←ShrA寄存器A右移一位例1.

W1：A←ShlAW2：B←ShrB當寄存器右移時，最左邊的觸發(fā)器從串行輸入端接收信息，當寄存器左移時，最右邊的觸發(fā)器從串行輸入端接收信息。符號Shl和Shr并沒有對串行輸入信息作出說明，必須用另一個微操作來確定。第72頁/共153頁例2.

W3：A←ShlA，A1←

An

表示寄存器A循環(huán)左移，移位時，將最左邊的觸發(fā)器An中的信息送入最右邊的觸發(fā)器A1

。例1.

W1：A←ShlAW2：B←ShrB當寄存器右移時，最左邊的觸發(fā)器從串行輸入端接收信息，當寄存器左移時，最右邊的觸發(fā)器從串行輸入端接收信息。符號Shl和Shr并沒有對串行輸入信息作出說明，必須用另一個微操作來確定。例3.W4：B←ShrB，Bn←E表示寄存器B循環(huán)右移，移位時，將觸發(fā)器E的一位信息送入最左邊的觸發(fā)器Bn

。

第73頁/共153頁5、條件控制語句

P：if(條件)then(微操作1)else(微操作2)表示：當控制函數(shù)P=1時，如果if后面括號內(nèi)的條件滿足，則，執(zhí)行then后面括號內(nèi)的微操作1，否則，執(zhí)行else后面括號內(nèi)的微操作2。例

T2：if(C=0)then(F←1)else(F←0)

它與下面兩個語句是等價的：

CT2：F←1CT2：F←0第74頁/共153頁例串行加法器的邏輯框圖如下所示，使用寄存器傳送語言描述圖示的串行加法器的工作。串行加法器的邏輯框圖An???A1uBn???B1v0全加器AiBiCi-1SiCCi設(shè)：寄存器A中的被加數(shù)U=unun-1

???u2u1

寄存器B中的加數(shù)V=vnvn-1

???v2v1工作過程：置進位觸發(fā)器C的初始狀態(tài)C0為0；當?shù)谝粋€時鐘信號T1作用時，全加器完成最低位u1和v1相加，并將和數(shù)S1送入寄存器的最高位A，寄存器A和B同時右移一位；第75頁/共153頁例

串行加法器的邏輯框圖如下所示，使用寄存器傳送語言描述圖示的串行加法器的工作。串行加法器的邏輯框圖當寄存器A和B右移一位后，送到全加器的是被加數(shù)A和加數(shù)B的新的最低位u2和v2

，若此次運算有進位C1發(fā)生，則進位觸發(fā)器C置為1。當?shù)诙€時鐘信號T2作用時，全加器完成u2、v2和進位C1相加，和數(shù)S2送入寄存器的最高位A，寄存器A和B又同時右移一位，并將新的進位C2送入觸發(fā)器C。An???A1uBn???B1v0全加器AiBiCi-1SiCCi第76頁/共153頁例串行加法器的邏輯框圖如下所示，使用寄存器傳送語言描述圖示的串行加法器的工作。串行加法器的邏輯框圖這樣，通過寄存器移位、整個串行相加過程，使全加器依次對被加數(shù)和加數(shù)的每一位ui

、vi連同前一位的進位Ci-1逐位相加。用寄存器傳送語言描述整個串行加法器的工作，微操作序列：An???A1uBn???B1v0全加器AiBiCi-1SiCCi第77頁/共153頁串行加法器的邏輯框圖T1：An←A1⊕B1⊕C0，C←(A1∧B1)∨(A1∧C0)∨(B1∧C0)

A←ShrA，B←ShrB，Bn←0T2：An←A1⊕B1⊕C0，C←(A1∧B1)∨(A1∧C0)∨(B1∧C0)

A←ShrA，B←ShrB，Bn←0Tn：An←A1⊕B1⊕C0，C←(A1∧B1)∨(A1∧C0)∨(B1∧C0)

A←ShrA，B←ShrB，Bn←0An???A1uBn???B1v0全加器AiBiCi-1SiCCi第78頁/共153頁8.3.2基本數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計舉例下面通過例子介紹信息處理單元和控制單元的設(shè)計方法。例1.試設(shè)計一個累加器，該累加器能執(zhí)行如下表所列出的一組微操作。控制變量微操作名稱P1P2P3P4P5P6P7P8P9A←A+BA←0A←AA←A∧BA←A∨BA←A⊕BA←ShrAA←ShlAA←A+1If(A=0)then(Z=1)加清0取反與或異或右移左移加1檢測0注：累加器是信息處理單元中一個特殊的寄存器，它能執(zhí)行多種微操作功能：加法微操作、逐次累加并暫存累加和、

并行接收、并行輸出、暫存、移位這些控制變量是互斥的第79頁/共153頁累加器的結(jié)構(gòu)累加器由寄存器A和組合邏輯電路組成，如下框圖：組合邏輯電路寄存器AB數(shù)據(jù)輸入控制變量寄存器A既可作為加數(shù)寄存器，又可作為和數(shù)寄存器。決定累加器微操作的各個控制變量是互斥的，在任何給定時間內(nèi)只有一個控制變量被選通，產(chǎn)生相應(yīng)的微操作。第80頁/共153頁累加器的結(jié)構(gòu)為簡化累加器的設(shè)計，假設(shè)：累加器由n個相同的單元組成，每個單元包含了執(zhí)行各種微操作所需的邏輯電路，只要完成一個單元的各部分電路設(shè)計，就可以將它們綜合成累加器的一個典型單元，然后用若干個典型單元組成一個完整的累加器（迭代設(shè)計）?？刂谱兞拷M合邏輯電路A0B0數(shù)據(jù)輸入寄存器A0邊界輸入級聯(lián)輸出組合邏輯電路A1B1數(shù)據(jù)輸入寄存器A1級聯(lián)輸入級聯(lián)輸出組合邏輯電路AiBi數(shù)據(jù)輸入寄存器Ai級聯(lián)輸入級聯(lián)輸出第81頁/共153頁累加器的一個典型單元的設(shè)計1.“加”微操作這部分電路的工作用狀態(tài)真值表描述如下：現(xiàn)態(tài)輸入次態(tài)輸出AiBiCi-1Ain+1Ci0000111100011011000110110110100100010111假如寄存器A采用JK觸發(fā)器，則列出的激勵表如下：全加器AiBi數(shù)據(jù)輸入寄存器Ai控制變量Ci-1Ci第82頁/共153頁累加器的一個典型單元的設(shè)計1.“加”微操作JK觸發(fā)器的“加”微操作的激勵表如下：現(xiàn)態(tài)輸入次態(tài)激勵變量輸出AiBiCi-1Ain+1JiKiCi000011110001101100011011011010010d1d1d0dd0d1d1d000010111用卡諾圖化簡，則如下：全加器JBi數(shù)據(jù)輸入寄存器Ai控制變量Ci-1CiKJiKiQQCCLK第83頁/共153頁累加器的一個典型單元的設(shè)計1.“加”微操作JK觸發(fā)器的“加”微操作的激勵表如下：現(xiàn)態(tài)輸入次態(tài)激勵變量輸出AiBiCi-1Ain+1JiKiCi000011110001101100011011011010010d1d1d0dd0d1d1d000010111AiBiCi-1Ji11ddddAiBiCi-1Kid1ddd1AiBiCi-1Ci1111全加器JBi數(shù)據(jù)輸入寄存器Ai控制變量Ci-1CiKJiKiQQCCLK第84頁/共153頁累加器的一個典型單元的設(shè)計1.“加”微操作激勵函數(shù)Ji、Ki和輸出函數(shù)Ci的表達式：AiBiCi-1Ji11ddddAiBiCi-1Ki11ddd1AiBiCi-1Ci1111Ji

=

Bi

Ci-1+BiCi-1Ki

=

Bi

Ci-1+Bi

Ci-1=Ji

Ci=AiBi+

AiCi-1+Bi

Ci-1全加器JBi數(shù)據(jù)輸入寄存器Ai控制變量Ci-1CiKJiKiQQCCLK第85頁/共153頁累加器的一個典型單元的設(shè)計1.“加”微操作激勵函數(shù)Ji、Ki和輸出函數(shù)Ci的表達式：Ji=BiCi-1

+BiCi-1Ki=BiCi-1

+BiCi-1

=JiCi

=AiBi+AiCi-1

+BiCi-1

由于“加”微操作是由控制變量P1啟動的，即僅當P1=1時激勵函數(shù)才能影響觸發(fā)器的狀態(tài)：Ji=BiCi-1

P1

+BiCi-1

P1Ki=BiCi-1

P1

+BiCi-1

P1=JiCi

=AiBi+AiCi-1

+BiCi-1

全加器JBi數(shù)據(jù)輸入寄存器Ai控制變量Ci-1CiKJiKiQQCCLK第86頁/共153頁累加器的一個典型單元的設(shè)計2.“清0”微操作組合邏輯J寄存器Ai

控制變量P2KJiKiQQCCLK控制變量P2使寄存器A中所有觸發(fā)器全部清0，即僅當P2=1時激勵函數(shù)能使JK觸發(fā)器復(fù)位