第十二章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)演示文稿

第十二章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有45頁\編輯于星期四優(yōu)選第十二章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)現(xiàn)在是2頁\一共有45頁\編輯于星期四2.構(gòu)成要素

方框：定義一個子系統(tǒng)，實現(xiàn)某種數(shù)據(jù)處理或傳送等功能。在方框內(nèi)描述其功能（文字表達(dá)式等）

；帶箭頭的直線：各子系統(tǒng)之間的信息通道。箭頭表示信息傳輸方向。標(biāo)注：表示主要信息通道的名稱、功能或信息類型。系統(tǒng)說明書：給每個子系統(tǒng)盡可能詳細(xì)的說明。現(xiàn)在是3頁\一共有45頁\編輯于星期四系統(tǒng)輸出輸入……（a）一般方框圖控制器C數(shù)據(jù)采集輸入數(shù)據(jù)處理C輸出數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)打?。╞）系統(tǒng)分解圖舉例：例：12.3.1給出了一個智能儀表方框圖的設(shè)計和細(xì)化過程。現(xiàn)在是4頁\一共有45頁\編輯于星期四數(shù)據(jù)處理（C）進(jìn)一步細(xì)化方案控制器C數(shù)據(jù)采集輸入C輸出數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)打印現(xiàn)在是5頁\一共有45頁\編輯于星期四（d）數(shù)據(jù)處理模塊的細(xì)化輸入/輸出接口CM寄存器A寄存器ALUCCC圖12.3.1一個智能儀表的方框圖現(xiàn)在是6頁\一共有45頁\編輯于星期四二、算法流程圖1.作用描述算法。2.基本符號入口點；出口點；傳輸框；判斷框A←A+BPBA（d）判斷框（a）入口點（b）出口點（c）傳輸框圖12.3.2流程圖符號注意：按照事件的先后次序排列的，與電路的時序無對應(yīng)關(guān)系。現(xiàn)在是7頁\一共有45頁\編輯于星期四例12.3.2函數(shù)求值,計算Z=4×X1+2×X2+X3的值。任務(wù)：輸入數(shù)據(jù)X串行輸入序列X1，X2，X3，計算完成后，提供輸出Z。解：根據(jù)題意，可以采用多種方法實現(xiàn)。第一種方法：設(shè)置3個寄存器分別存儲X1，X2，X3，然后對X1乘4，X2乘2,其中乘2操作用寄存器左移實現(xiàn)，最后執(zhí)行3個數(shù)的求和運算。現(xiàn)在是8頁\一共有45頁\編輯于星期四A←X1B←X2C←X3A←SL(A)B←SL(B)A←SL(A)A←A+B+C

由以上分析可以看出，這種方法的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要3個寄存器，但算法簡單?，F(xiàn)在是9頁\一共有45頁\編輯于星期四第二種方法：設(shè)置兩個寄存器A和B，寄存器A存儲X1，并執(zhí)行乘4操作，寄存器B存儲X2，并執(zhí)行乘2操作，然后執(zhí)行A←A+B，，最后再將A與X3相加，輸出Z。A←X1B←X2A←SL(A)B←SL(B)A←SL(A)A←A+BA←A+X3

由以上分析可以看出，寄存器結(jié)構(gòu)簡化了，然而算法變復(fù)雜了?，F(xiàn)在是10頁\一共有45頁\編輯于星期四第三種方法:系統(tǒng)中只有一個寄存器A存放計算結(jié)果,算法變的更復(fù)雜,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和流程圖如圖12.3.3和圖12.3.4所示:A0AA+XASL(A)AA+XASL(A)AA+XA=X1A=2X1A=2X1+X2A=4X1+2X2Z=4X1+2X2+X3算法流程圖現(xiàn)在是11頁\一共有45頁\編輯于星期四圖11.3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖例11.3.2絕對值計算，計算圖12.3.6算法流程圖A←0,C←0X<0A←A-X1X<0A←A-XA←A+XX<0A←A-XC←1A←A+XC←11010A←A+X0Z控制器CA組合電路XTSC現(xiàn)在是12頁\一共有45頁\編輯于星期四舉例：累加器是適合于進(jìn)行多次運算的電路，其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。若圖中的組合電路由加法器構(gòu)成，則該累加器用來實現(xiàn)多個數(shù)的相加求和?，F(xiàn)在是13頁\一共有45頁\編輯于星期四在累加器工作之前，將累加寄存器置0（即：A=0）。送入第一個數(shù)據(jù)B1之后，第一個求和命令（時鐘）把A加B之和送到累加寄存器，由于在此之前，A=0，所以第一次求和結(jié)果是將B1送入累加寄存器。再送入第二個數(shù)據(jù)B2，第二個求和命令把原先存于累加寄存器的數(shù)據(jù)B1同第二個數(shù)據(jù)B2相加的和送入累加寄存器。再送入第三個數(shù)據(jù)B3，第三個求和命令把原先求和命令又以新形成的和取代以前的和存于累加寄存器??????，這個累加過程一直繼續(xù)到加完第四個相加的數(shù)。請列出它的算法流程圖?，F(xiàn)在是14頁\一共有45頁\編輯于星期四現(xiàn)在是15頁\一共有45頁\編輯于星期四三、算法狀態(tài)機圖（ASM圖）

1.作用嚴(yán)格按系統(tǒng)時序來描述系統(tǒng)的工作過程。

2.ASM圖符號

(1)狀態(tài)框

(2)條件框(3)判斷框現(xiàn)在是16頁\一共有45頁\編輯于星期四寄存器操作或輸出符號二進(jìn)制代碼（a）狀態(tài)框（b）實例R←0START011T3圖12.3.7狀態(tài)框狀態(tài)框中的操作通常用RTL語言表示，若用助記符代替，則該助記符是控制器發(fā)出的控制命令。（1）狀態(tài)框T3:R←0;用助記符表示為:CLRR控制命令?，F(xiàn)在是17頁\一共有45頁\編輯于星期四條件分支分支01分支分支01

條件圖12.3.8判斷框判斷框表示判斷變量對控制器的影響，因此判斷框中的條件通常為處理器的狀態(tài)信號或外部輸入控制信號。（2）判斷框現(xiàn)在是18頁\一共有45頁\編輯于星期四X1X20×11

T1T2T3T410（a）真值表圖解分支表示01T1X1T2T3T4X201（b）變量優(yōu)先級分支表示圖12.3.9判斷框3個分支表示現(xiàn)在是19頁\一共有45頁\編輯于星期四圖12.3.11條件框舉例A0T1T201001001ER←0圖12.3.10條件框寄存器操作或輸出條件框為ASM圖所特有的，條件框內(nèi)的操作和輸出是在給定條件下，判斷條件被滿足時才發(fā)生的，所以條件框的輸入必定與判斷框的分支相連。（2）條件輸出框

現(xiàn)在是20頁\一共有45頁\編輯于星期四3.ASM塊2、一個ASM塊由一個狀態(tài)框和若干與之相連的判斷框和條件框組成；1、一個ASM塊表示一個時鐘周期內(nèi)系統(tǒng)的狀態(tài)；A0T1T201001001ER←03、一個ASM塊內(nèi)所有操作在同一有效時鐘沿完成。A←0和R←0在同一個時鐘沿完成。且在T2狀態(tài)的有效時鐘沿完成。若E=1，則發(fā)出CLRA，CLRR的命令。若E=0，只發(fā)出CLRA的命令。CP1CP2A0R0A0Z控制器RA組合電路XCLRAECLRR現(xiàn)在是21頁\一共有45頁\編輯于星期四A0T1T301001001AA+1ER←0T2CP1CP2CP3發(fā)CLRA發(fā)CLRA發(fā)CLRRA0A0AA+1E=1E=0發(fā)INCA發(fā)INCAR0Z控制器RA組合電路XCLRAECLRRINCA現(xiàn)在是22頁\一共有45頁\編輯于星期四(3)ASM圖與控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的關(guān)系；狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖只能表述控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況，但無法表示處理器完成何種操作以及輸出變量為何值。圖12.3.12ASM塊A←A+1T1T201001001ER←0FT4100T30110100110001101000/1001/101×/11EF/INCACLR圖12.3.13等效狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖現(xiàn)在是23頁\一共有45頁\編輯于星期四例1：一個數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理器有2個觸發(fā)器E和F及1個二進(jìn)制計數(shù)器A，計數(shù)器的各個位分別用A4、A3、A2、A1標(biāo)記，A4為最高位，A1為最低位。啟動信號S使計數(shù)器A和觸發(fā)器F清“0”，從下一個時鐘脈沖開始，計數(shù)器增1，一直到系統(tǒng)停止工作為止。系統(tǒng)的操作序列由A3和A4之值決定，即：①A3=0，觸發(fā)器E清“0”，并繼續(xù)計數(shù)。②A3=1，觸發(fā)器E置“1”，并檢驗A4，若A4=0,繼續(xù)計數(shù)；若A4=1，觸發(fā)器F置“1”，E置“1”,系統(tǒng)停止計數(shù)?，F(xiàn)在是24頁\一共有45頁\編輯于星期四圖12.3.114例12.3.3ASM圖A←A+10T0初態(tài)SA31T1A40A←0，F(xiàn)←0E←1E←0E←1，F(xiàn)←1011現(xiàn)在是25頁\一共有45頁\編輯于星期四A4A3A2A1EF條件狀態(tài)0000000T1100010000T100100000T1現(xiàn)在是26頁\一共有45頁\編輯于星期四現(xiàn)在是27頁\一共有45頁\編輯于星期四例1:對于下圖ASM圖，從S=1開始，試填寫計數(shù)器A的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表?，F(xiàn)在是28頁\一共有45頁\編輯于星期四4.ASM圖的建立從算法流程圖ASM圖

原則1：在算法的起始點安排一個狀態(tài)；

S01算法流程圖T0S01ASM圖S01A0算法流程圖現(xiàn)在是29頁\一共有45頁\編輯于星期四原則2：必須用狀態(tài)來分開不能同時實現(xiàn)的寄存器傳輸操作；

AA+1ASR(A)ASM圖算法流程圖AA+1ASR(A)現(xiàn)在是30頁\一共有45頁\編輯于星期四原則3：如果判斷框中的轉(zhuǎn)移條件受前一個寄存器操作的影響，應(yīng)在它們之間安排一個狀態(tài)。T0A=n01AA+1T0A=n01AA+1ASM圖算法流程圖現(xiàn)在是31頁\一共有45頁\編輯于星期四圖11.3.13算法流程圖A←A+10T0SA31T1A40011A←0，F(xiàn)←0T2E←1E←1，F(xiàn)←1E←0T0SA←A+1T11A400E←1E←00A←0，F(xiàn)←01圖11.3.14ASM圖A3T2E←1，F(xiàn)←11現(xiàn)在是32頁\一共有45頁\編輯于星期四現(xiàn)在是33頁\一共有45頁\編輯于星期四例2:對于下圖ASM圖，試從T0狀態(tài)且S=1開始，填寫該圖的操作序列表。0010T10110T20110T11010T21000T11100T21111T0現(xiàn)在是34頁\一共有45頁\編輯于星期四1）圖12.3.14和圖12.3.18的ASM圖的差異分析:現(xiàn)在是35頁\一共有45頁\編輯于星期四將圖12.3.14ASM圖與圖12.3.18ASM圖相比不同點在于圖12.3.14在A←A+1的后面插入了一個方框，這說明了判斷是在A+1的次態(tài)。而圖12.3.18的判斷是在A+1的現(xiàn)態(tài)。這兩張ASM圖之間的差異可以從它們各自的ASM圖表操作序列可見。2）比較兩個ASM表現(xiàn)在是36頁\一共有45頁\編輯于星期四現(xiàn)在是37頁\一共有45頁\編輯于星期四5、ASM圖推導(dǎo)處理器明細(xì)表和控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖RESET1WAITRESET0ADATA,BUSY0ASR(A)BUSY1YA,BUSY0BEGINEND0110控制信號：C1控制信號：C2控制信號：C3控制信號：C5控制信號：C4狀態(tài)信號：S1狀態(tài)信號：S2現(xiàn)在是38頁\一共有45頁\編輯于星期四

RESET表示系統(tǒng)復(fù)位信號。BEGIN為外部送入系統(tǒng)的啟動信號。END為系統(tǒng)結(jié)束命令。BUSY表示系統(tǒng)是否忙?，F(xiàn)在是39頁\一共有45頁\編輯于星期四操作表狀態(tài)變量表控制信號操作狀態(tài)變量定義C1RESET1

WAITS1S2BEGINENDC2R