現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計第二章

第2章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的根本構(gòu)造以及普通設(shè)計方法；數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的描畫方法；數(shù)據(jù)子系統(tǒng)及控制子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)；數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計舉例。1.數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字電路又名數(shù)字系統(tǒng)。定義：用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進展算術(shù)運算和邏輯運算的電路稱為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運算和邏輯處置功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路。數(shù)字系統(tǒng)是一個能完成一系列復(fù)雜操作的邏輯單元?！?-1概述邏輯表達式、真值表、卡諾圖、形狀圖等MDS圖〔1〕系統(tǒng)模型描畫法：用邏輯圖、形狀圖、流程圖等來描畫數(shù)字系統(tǒng)的方法。 ——該方法適用于相對簡單的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的輸入、輸出變量以及系統(tǒng)的形狀都比較少，所需求的存放器也比較少?！?〕描畫言語法：適用于當系統(tǒng)的輸入、輸出變量增多、形狀很多時，該描畫言語表達的算法稱為系統(tǒng)的算法模型。2.描畫數(shù)字系統(tǒng)的方法除“系統(tǒng)功能級〞不同層次上的設(shè)計描畫和對象行為處置級存放器傳輸級邏輯級〔門級〕電路器件級〔晶體管級〕性能目的流程圖算法存放器傳輸方程算法邏輯方程時序形狀微分方程函數(shù)處置器控制器存儲器、總線等ALU、數(shù)據(jù)選擇器存放器、存儲器等門觸發(fā)器晶體管連線行為描畫構(gòu)造描畫2-1-1數(shù)字系統(tǒng)的根本組成受控器控制器數(shù)據(jù)子系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)的采集、存儲、運算處置和傳輸；主要由存儲器、運算器、數(shù)據(jù)選擇器等部件組成。 數(shù)字子系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)——系統(tǒng)功能的算法?？刂谱酉到y(tǒng)是執(zhí)行算法的中心，由一些組合邏輯電路和觸發(fā)器等元件組成，是一個具有記憶才干的時序系統(tǒng)。 控制子系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)——系統(tǒng)功能及數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的要求。2-1-2設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的根本步驟〔1〕明確設(shè)計要求 消化了解設(shè)計義務(wù)，將設(shè)計要求羅列成條，每一條都應(yīng)是無二義的。 明確設(shè)計系統(tǒng)的邏輯功能及性能目的，應(yīng)能畫出闡明輸入輸出信號及必要目的的系統(tǒng)簡單表示框圖?！?〕確定系統(tǒng)方案〔方框圖、流程圖或描畫言語描畫〕 最具發(fā)明性的一步，系統(tǒng)要完成的每一個功能能夠有不同的實現(xiàn)方案，而方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的質(zhì)量及性價比，因此要反復(fù)比較與權(quán)衡。〔3〕受控器的設(shè)計 適用的受控器電原理圖〔4〕控制器的設(shè)計〔MDS圖〕 系統(tǒng)方案的模型——>MDS圖；適用的控制器電原理圖〔5〕整個設(shè)計過程中盡能夠多地利用EDA軟件，及時進展邏輯仿真、優(yōu)化，以保證設(shè)計任務(wù)優(yōu)質(zhì)快速地完成。§2-2明確設(shè)計要求例1設(shè)計一個十字路口交通燈控制系統(tǒng) 〔1〕車道：只需汽車，車直行時不允許左拐，可以同時進展右拐，左拐時計時 〔2〕車輛控制燈：〔綠燈〕直行、左拐、右拐，紅燈 〔3〕通行時間：40秒，倒計時 〔4〕人行：需提出懇求，并且只在車輛直行時才呼應(yīng)，穿越時間60秒 〔5〕警察權(quán)限：可以隨時指定系統(tǒng)停在某個形狀〔6〕無聯(lián)網(wǎng)要求系統(tǒng)表示方框圖指示燈面板§2-3確定系統(tǒng)方案找出實現(xiàn)上述設(shè)計要求的方法，即確定實現(xiàn)系統(tǒng)邏輯功能的算法。要有認識地將系統(tǒng)分為控制和受控兩部分或描畫言語描畫例1假設(shè)用單片機等微處置器，我們主要完成軟件算法的設(shè)計〔描畫言語描畫〕這里我們用組合邏輯電路〔總體方框圖、流程圖〕總體方框圖流程圖由簡到詳分析系統(tǒng)有幾種任務(wù)方式繪制簡單的流程圖？？？？？流程圖：方框表示系統(tǒng)的操作菱形表示判別兩條橫杠的方框表示條件操作繪制中捕捉問題，回到第一步，進一步明確設(shè)計要求，細化流程圖？根據(jù)簡單流程圖進一步細化系統(tǒng)設(shè)計要求在車輛直行形狀下的前20秒，呼應(yīng)同方向的行人穿越懇求。其它情況不呼應(yīng)行人穿越時，各路右拐制止；車輛行駛時間指示封鎖，行人時間指示開啟〔60秒〕行人穿越時間終了轉(zhuǎn)到相應(yīng)的下一個形狀警察控制懇求立刻呼應(yīng)，警察控制時，各路口的時間指示封鎖警察控制懇求終了后轉(zhuǎn)到初始形狀形狀間的轉(zhuǎn)換間歇時間為2秒，此時各路口紅燈禁行此圖是我們實現(xiàn)設(shè)計要求的詳細算法，也是我們設(shè)計控制子系統(tǒng)的根據(jù)?！?-4受控器〔數(shù)據(jù)子系統(tǒng)〕硬件設(shè)計總體方案確定后，經(jīng)過系統(tǒng)總體方框圖和系統(tǒng)詳細流程圖根本確定了受控器部分的方式，我們下面的任務(wù)就是要選擇適宜的器件，畫出受控器的電原理圖，標明所需的控制信號及相應(yīng)的輸出信號。在選擇器件上，主要按照要求的系統(tǒng)目的，如：速度要求，這就要進展相應(yīng)的時序分析設(shè)計，針對要求選擇適宜的器件。例1十字路口交通燈控制系統(tǒng)受控器主要分三部分： 1.秒脈沖發(fā)生器； 2.40秒和60秒定時器及相應(yīng)的顯示器； 3.各路口指示燈及行人穿行指示燈秒脈沖發(fā)生器1.用555設(shè)計頻率為1Hz的多諧振蕩器振蕩頻率：f=1/T=占空系數(shù)：當R2>>R1時，占空系數(shù)近似為50％。秒脈沖發(fā)生器RC回路構(gòu)成時鐘源T≈1.4RC非門74LS04優(yōu)點：低功耗，04為常用器件，價錢低廉〔用CMOS門路構(gòu)成的RC時鐘源見書圖2-103b〕秒脈沖發(fā)生器晶振振蕩器〔書圖2-103a〕用CD4060及32768晶振CD4060：CMOS14級二進制計數(shù)-分頻-振蕩器①由14級二進制計數(shù)器和非門組成的振蕩器組成，外接振蕩電路可以做時鐘源。其輸出端Q4～Q14構(gòu)成16～18384分頻系數(shù)。②：時鐘輸入端，下降沿計數(shù)；CP0：時鐘輸出端；：反向時鐘輸出端。③RD清零端為異步清零。秒脈沖發(fā)生器用CD4060及32768晶振作為2Hz、4Hz、8Hz等時鐘脈沖源時，典型接線方法如以下圖，從計數(shù)器輸出端可以得到多種32.678kHz的分頻脈沖。40秒和60秒定時器及相應(yīng)的顯示器：74LS190

TTL電路

BCD同步加/減計數(shù)器CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極LED〔數(shù)碼管〕顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器對外送給控制器的條件信號有：T=40；T=60；車輛前20秒計時T20對內(nèi)所需的控制信號有：40秒計時控制信號CP1和置數(shù)信號；60秒計時控制信號CP2和置數(shù)信號；40秒定時顯示的消隱信號；60秒定時顯示的消隱信號；人行時，車輛通行時間的切換顯示信號G；各路口的指示燈的控制信號?！?-5控制器設(shè)計

2.5.1MDS圖控制器硬件實現(xiàn)常用的工具——MDS圖MDS圖的定義MDS圖是用助記符表示的形狀圖，類似于我們學(xué)過的形狀圖，不同的是它還要用符號和表達式來表示形狀的轉(zhuǎn)換條件和輸出。MDS圖的表示規(guī)那么用帶符號的圓圈表示形狀；用帶箭頭的定向線表示形狀的轉(zhuǎn)移；形狀轉(zhuǎn)移的條件寫在定向線旁；輸出寫在形狀的圓圈外，用向上箭頭表示有效，向下箭頭表示無效，同時標有向上和向下箭頭表示進入形狀時有效，出了形狀就無效；條件輸出表示為形狀與條件的乘積，寫在形狀圈外；表示變量X是異步的2.5.1.2MDS圖與流程圖數(shù)字系統(tǒng)的詳細流程圖闡明了系統(tǒng)的操作內(nèi)容與順序，可以從數(shù)字系統(tǒng)的詳細流程圖看到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的運算操作過程。把它轉(zhuǎn)換成MDS圖，又得到了系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)的形狀轉(zhuǎn)換過程，從而可利用它來設(shè)計系統(tǒng)的控制器。由詳細流程圖導(dǎo)出MDS圖的原那么流程圖中的任務(wù)塊對應(yīng)了MDS圖中的一個形狀。當任務(wù)塊內(nèi)有兩個不能同時進展的操作時，應(yīng)將此任務(wù)塊分成兩個形狀，而且這兩個形狀是無條件轉(zhuǎn)換的。實現(xiàn)任務(wù)塊內(nèi)操作所需求的控制信號和任務(wù)塊的輸出對應(yīng)了控制器在該形狀時必需有的輸出信號。流程圖的判別塊對應(yīng)了MDS圖的分支，判別條件即MDS圖中形狀轉(zhuǎn)移條件。流程圖中的條件塊對應(yīng)了MDS圖的條件輸出。假設(shè)流程圖中的某一分支上出現(xiàn)了兩個彼此獨立的、與系統(tǒng)時鐘無關(guān)的異步變量，通常要重新組織流程圖，即要定義一個新的形狀，使在每個形狀的分支上只需一個異步變量。〔由于假設(shè)兩個異步變量的繼續(xù)時間都很短，那么以此為轉(zhuǎn)移條件滿足的概率就非常小，添加形狀就使所設(shè)計的電路能捕獲到這兩個異步變量〕例流程圖→MDS圖例流程圖→MDS圖例流程圖→MDS圖2-5-2控制器的硬件實現(xiàn)控制器是一個同步時序電路，它由形狀存放器和組合電路組成。常用的形狀存放器計數(shù)器、移位存放器〔74195、CD4015〕以及D〔JK〕觸發(fā)器等。運用計數(shù)器、移位存放器〔74195、CD4015〕時，要進展形狀編碼；用D〔JK〕觸發(fā)器時，形狀可以編碼〔當形狀比較多時〕，也可以一個形狀分配一個觸發(fā)器〔當形狀比較少時〕。組合電路可以用門電路及組合模塊電路如數(shù)據(jù)選擇器、譯碼器、編碼器等。也可以用ROM編寫微程序?qū)崿F(xiàn)。當控制器是由模塊電路構(gòu)成時，稱其為控制器的硬件實現(xiàn)；當采用ROM時，稱其為控制器的微程序?qū)崿F(xiàn)?？刂破鞯挠布崿F(xiàn)舉例：R、A為輸入信號，Ci為輸出信號。采用D觸發(fā)器作為形狀存放器，用兩種方法來實現(xiàn)與此MDS圖對應(yīng)的控制器。用D〔JK〕觸發(fā)器時，形狀可以編碼〔當形狀比較多時〕，也可以一個形狀分配一個觸發(fā)器〔當形狀比較少時〕。〔1〕形狀編碼方式編碼總共有5個形狀，需求3個D觸發(fā)器，采用3位二進制編碼畫出鼓勵函數(shù)卡諾圖并列出函數(shù)表達式D2D1D0輸出函數(shù)表達式：畫出完好的邏輯電路圖〔2〕一個D觸發(fā)器對應(yīng)一個形狀形狀間的無條件轉(zhuǎn)移硬件實現(xiàn)如圖a，有條件的形狀轉(zhuǎn)移見圖b，用或門和數(shù)據(jù)分配器來控制?！?〕一個D觸發(fā)器對應(yīng)一個形狀采用一個D觸發(fā)器對應(yīng)一個形狀的方法，設(shè)計簡單明了，但要留意應(yīng)正確地對控制電路進展初始化。初始化的含義是利用外部方法使控制器的初始態(tài)只需一個形狀觸發(fā)器的輸出為1，其他均為0，然后再轉(zhuǎn)入正常轉(zhuǎn)換。初始化可以利用D觸發(fā)器的復(fù)位端和置位端。十字路口交通燈控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計由于警察控制形狀極少發(fā)生，并且不是一個獨立形狀，實踐上它只不過是由警察指定的S0到S5中的某一形狀繼續(xù)了警察規(guī)定的時間。因此，這里只思索6了形狀，采用形狀編碼方式，需3位編碼?！?〕設(shè)計系統(tǒng)在S0～S5中轉(zhuǎn)換用可預(yù)置的十進制同步加/法計數(shù)器74LS192作為形狀計數(shù)器Q1Q0Q2000111100T=40加計數(shù)MST20置數(shù)T=40加計數(shù)T=40清零T=40加計數(shù)MET20置數(shù)1T=60置數(shù)T=60置數(shù)φφ74LS192操作表T<20s時T20為高電平有效加法計數(shù)脈沖：計數(shù)清零信號：置數(shù)信號：現(xiàn)態(tài)D2D1D0S0100S2101S4001S5011置數(shù)表〔2〕根據(jù)異步信號P使形狀在在S0～S5中進展強行切換將系統(tǒng)分為正常控制和警察控制兩個方式。用六個開關(guān)表示警察設(shè)置的六個形狀，用8線/3線優(yōu)先編碼器74LS148將對應(yīng)的開關(guān)形狀轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的形狀編碼。用四2選1數(shù)據(jù)選擇器74LS157，選擇正常控制和警察控制，選擇信號為P。在警察控制時各路口的時間指示封鎖，警察信號P撤銷后，自動回到初時形狀，可用信號P使形狀計數(shù)器清零和使40秒定時器置數(shù)受控器所需的控制信號40秒定時器顯示消隱40秒定時器置數(shù)40秒定時控制信號車輛行駛時間顯示器的顯示選擇信號60秒定時器顯示消隱60秒定時器置數(shù)60秒定時控制信號〔注：T2為負脈沖〕40秒定時控制信號60秒定時控制信號行人懇求開關(guān)Ms和Me均為短暫的脈沖，當懇求沒有被呼應(yīng)時，等待燈信號應(yīng)不斷繼續(xù)到懇求被呼應(yīng)。因此需設(shè)計一個自鎖電路，將脈沖Ms變成高電平Ms’總結(jié)先抓住主要部分，然后再逐漸完善。作業(yè)：用JK觸發(fā)器設(shè)計一個帶進位輸出端的六進制計數(shù)器要求：1.畫出MDS圖；2.列出形狀編碼表；3.列出現(xiàn)態(tài)和次態(tài)、進位輸出CO的形狀轉(zhuǎn)換表；4.畫出CO和J、K的卡諾圖并列出函數(shù)表達式；5.畫出六進制計數(shù)器的邏輯電路圖2-5-3控制子系統(tǒng)的微程序設(shè)計就是把控制子系統(tǒng)中每一個形狀要輸出的控制信號以及該形狀的轉(zhuǎn)移去向按一定的格式編寫成條文，稱其為微指令，將它們保管在存儲器中，例如ROM，EPROM等。運轉(zhuǎn)時，按預(yù)定的要求逐條取出這些微指令，從而實現(xiàn)控制過程。ROMD觸發(fā)器控制子系統(tǒng)的微程序設(shè)計適用于系統(tǒng)很復(fù)雜，系統(tǒng)的MDS圖中的形狀數(shù)目很多，輸入、輸出變量很多的情況。與用硬件方法實現(xiàn)控制器相比其優(yōu)點：設(shè)計規(guī)范，易于模塊化，便于二次集成，適用于任何算法，也便于修正，非常靈敏；缺陷：速度較慢，受ROM速度的約束。舉例：〔1〕確定形狀變量，進展形狀編碼四個形狀用兩位編碼狀態(tài)編碼Q1Q0S000S101S210S311〔2〕確定ROM的容量地址位數(shù)=形狀變量數(shù)＋輸入變量數(shù)〔3〕填寫ROM內(nèi)容微指令的內(nèi)容包括：控制器在該形狀輸出的控制信號——微命令段鼓勵函數(shù)，決議下一條微指令的地址——后續(xù)微地址段〔4〕畫出微程序控制器電路圖2.5.3.1微程序控制器典型構(gòu)造微地址產(chǎn)生器〔組合電路〕微地址存放器CSAR控制存儲器CS微指令存放器MIR譯碼器微控制器條件外地址轉(zhuǎn)移地址信息〔鼓勵函數(shù)〕控制信號DONELOAD微控制信息〔微命令段〕微地址產(chǎn)生器微地址產(chǎn)生器產(chǎn)生下一條應(yīng)執(zhí)行的微指令。微控制器產(chǎn)生部分時鐘，控制各存放器的操作，接納數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的開啟或終止信號。控制存儲器存放微指令。小結(jié)與補充微程序控制器主要由控制存儲器CS、微地址產(chǎn)生器和控制器三大部分組成。在有的微指令中還有定時段，用以指示執(zhí)行該條微指令所需的時間周期。在該條微指令操作完成以前，微地址的值不變。詳見51頁圖2-53設(shè)計微程序控制器主要就是實現(xiàn)對微程序的控制及編寫微指令兩項任務(wù)。2.5.3.2微命令段〔控制場〕的編制格式〔1〕程度格式——ROM字中的一位對應(yīng)一個控制信號優(yōu)點：提供控制信號的速度快，不需求譯碼等中間環(huán)節(jié)，可以使一切的控制信號同時有效缺陷：需求ROM的位數(shù)很多，呵斥存儲區(qū)的浪費微命令段〔控制場〕的編制格式〔2〕垂直格式——把控制信號打成包或編碼，縮減ROM容量把微指令中的控制場分成假設(shè)干個子場，把不在同時有效的幾個控制信號用編碼的方式編在同一個子場內(nèi)，對應(yīng)每一個形狀，只在該控制子場中填入該形狀有效的控制信號的編碼，然后經(jīng)過譯碼器譯碼并輸出。微命令段〔控制場〕的編制格式帶有方式控制位的編制格式微命令段〔控制場〕的編制格式〔3〕二級存儲 適用場所：控制信號很多，而且這些信號經(jīng)常反復(fù)輸出，變化款式不多。 第二級存儲器中，存放了每次需求輸出的控制信號。是一個字少位多的存儲器 第一級存儲器中，存放的是微程序，字數(shù)對應(yīng)了微程序的指令數(shù)，其內(nèi)容是該條指令需求輸出控制信號在第二級存儲器中的地址。是一個字多位少的存儲器缺陷：執(zhí)行一條微指令需求二次尋址，速度慢。舉例：一個微程序共有200條指令，一共需求輸出50個控制信號，變化款式10種程度格式：200*50＝10KROM二級存儲：第二級存儲器——16*50＝800≈1K第一級存儲器——200*4＝800≈1K總結(jié)：這三種方法就是如何減少對ROM容量的需求，同時保證足夠的操作速度和可行的時序。隨著半導(dǎo)體存儲器消費程度的開展，大容量ROM的獲得已不成問題，因此人們思索的出發(fā)點應(yīng)該更偏重于操作速度、時序以及簡化設(shè)計和構(gòu)造。2.5.3.3微程序流的控制微程序流的執(zhí)行方法可以有許多種，如順序的、條件轉(zhuǎn)移或無條件轉(zhuǎn)移、循環(huán)或子程序調(diào)用等，因此控制方法也是多樣的，這些方法集中到一點，即如何設(shè)計微程序控制器中的微地址產(chǎn)生器。微地址產(chǎn)生器如何根據(jù)當前的微指令及一些相應(yīng)的條件來確定下一條微指令的地址。微地址產(chǎn)生器的通用構(gòu)造微程序流的控制實現(xiàn)方法1.直接尋址法形狀變量和一切的輸入變量作為ROM的地址變量，直接尋覓相應(yīng)微指令存放的地址。直接尋址法舉例直接尋址法優(yōu)缺陷：優(yōu)點：a.非常直觀，后續(xù)地址可以直接用觸發(fā)器鼓勵信號表示；b.輸入信號直接作為地址，一個形狀無論有多少個條件分支轉(zhuǎn)移，均可以直接實現(xiàn)，用不著采用任何其他措施。缺陷：ROM容量的極大浪費 形狀編碼位數(shù)〔K為形狀個數(shù)〕 ROM容量〔N為輸入信號個數(shù)，M為輸出信號個數(shù)〕微程序流的控制實現(xiàn)方法2.單測試雙地址法單測試指的是決議形狀轉(zhuǎn)移的變量只需一個。 格式：形狀變量作為地址變量ROM內(nèi)容：優(yōu)點：一個形狀只對應(yīng)一個字，不存在多余的一樣的字，縮減了ROM容量微命令段測試變量段后續(xù)微地址段控制信號X(i)X(i)=1的后續(xù)地址X(i)=0的后續(xù)地址測試變量段位數(shù)〔N為變量個數(shù)〕單測試雙地址法舉例4個形狀2位編碼4個輸出信號2個測試變量1位編碼ROM容量：4×9微程序流的控制實現(xiàn)方法3.單測試單地址法〔方法一〕 在微指令的后續(xù)地址中，只標注上恣意轉(zhuǎn)移的后續(xù)地址。 ROM內(nèi)容格式：輸出變量測試變量標志位轉(zhuǎn)移地址單測試單地址法〔方法一〕舉例4個形狀2位編碼4個輸出信號4個測試變量〔含無條件轉(zhuǎn)移〕2位編碼1個標志位2位轉(zhuǎn)移地址ROM容量：4×9標志位的填寫填寫單測試單地址的微指令最關(guān)鍵是標志位的填寫標志位的填寫與硬件有關(guān)標志位為1表示測試變量為1時計數(shù)，為0時置數(shù)標志位為0表示測試變量為0時計數(shù)，為1時置數(shù)ROM內(nèi)容表以低電平表示無條件轉(zhuǎn)移標志位為1以高電平表示那么標志位為0針對有條件輸出微程序的處置方法：1.把MDS圖轉(zhuǎn)化為無條件輸出的莫爾型〔多了一個時間周期〕針對有條件輸出微程序的處置方法：2.先把此輸出當作無條件輸出處置，設(shè)計好微程序控制器后，再將對應(yīng)的ROM位和要求的條件相與，構(gòu)成真正的輸出。微程序流的控制實現(xiàn)方法4.單測試單地址法〔方法二〕由于每一個形狀只與一個測試變量有關(guān)，可以采用一個數(shù)據(jù)選擇器，用現(xiàn)態(tài)作為控制信號，選出決議轉(zhuǎn)移的那個測試變量，然后由現(xiàn)態(tài)和測試變量共同作為ROM的地址變量。該方法又根據(jù)形狀和測試變量的多少分為兩種處置方法。處置方法一測試變量比較多，但不多于形狀數(shù)4個形狀2位編碼3個輸出信號4個測試變量2位轉(zhuǎn)移地址ROM容量：8×5處置方法二測試變量比較少，形狀數(shù)相對比較多6個形狀3位編碼3個輸出信號2個測試變量1位編碼3位轉(zhuǎn)移地址ROM容量：16×7微程序流的控制實現(xiàn)方法5.多測試變量MDS圖的微程序?qū)崿F(xiàn)對于非單測試的形狀，添加一些新的形狀，讓每個形狀都能滿足單測試的條件。問題在轉(zhuǎn)移到過渡形狀時，假設(shè)輸入信號在幾個過渡形狀期間發(fā)生了變化，就會出現(xiàn)與原系統(tǒng)不一致的情況。S1形狀的測試變量X1X2在形狀S1沒有變化S1形狀的測試變量X1X2在形狀S1有變化處理方法用存放器存放系統(tǒng)剛進入該過渡形狀時的輸入信號的值并堅持，當系統(tǒng)出了過渡形狀后，才呼應(yīng)輸入信號新的變化。不添加形狀，將非單測試變量的多測試信號用組合電路接成單測試信號?！惨]〕作業(yè)采用微程序法設(shè)計交通燈控制系統(tǒng)控制器〔有條件輸出信號的邏輯控制電路部分可以省略〕?！?-6數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計舉例2.6.1出租車計價器的設(shè)計 2.6.1.1明確設(shè)計要求總車費＝里程費＋誤時費 〔1〕里程計費起步8元〔含5公里〕1.8元/公里，0.5公里計費一次 〔2〕計誤時費誤時10秒開場計誤時0.6元/分鐘，每10秒計費一次2.5.1.1明確設(shè)計要求〔3〕面板顯示時間顯示：北京時間和誤時時間，顯示時、分、秒，可手工切換或自動切換，有校時功能，誤時時間人工不能修正，當有誤時時自動切換到顯示誤時時間計費顯示：顯示里程費和誤時費的總和，顯示器為4位，價錢上限為999.9元〔4〕計價器的任務(wù)程序無乘客時，空車標牌亮，計價器顯示為零，誤時累計為零，顯示北京時間〔初始化〕乘客上車時，司機按下空車標牌，計價器顯示起步價〔程序開場〕乘客要求下車，停車，計價器堅持并顯示車費總額，誤時計時器堅持總誤時時間并可由人工選擇顯示〔下車懇求〕乘客下車后，司機翻上空車標牌〔回到初始化〕2.6.1.2確定系統(tǒng)方案系統(tǒng)完成的總功能就是計價。子功能包括：①里程判別〔5公里、0.5公里〕；②誤時判別，并顯示誤時時間；③累計金額并顯示；④北京時間顯示。2.6.1.2確定系統(tǒng)方案(方框圖)2.6.1.2確定系統(tǒng)方案(流程圖)2.6.1.3設(shè)計數(shù)據(jù)子系統(tǒng)〔1〕系統(tǒng)時鐘模塊用CD4060及32768晶振作為2Hz時鐘脈沖源，再經(jīng)74LS74二分頻。2.6.1.3設(shè)計數(shù)據(jù)子系統(tǒng)〔2〕里程傳感模塊設(shè)車輪周長2m12位二進制異步計數(shù)器2.6.1.3設(shè)計數(shù)據(jù)子系統(tǒng)〔3〕誤時模塊2.6.1.3設(shè)計數(shù)據(jù)子系統(tǒng)〔4〕計時與時間顯示模塊2.6.1.3設(shè)計數(shù)據(jù)子系統(tǒng)〔5〕計價與顯示模塊2.6.1.4設(shè)計控制子系統(tǒng)為了使控制子系統(tǒng)的設(shè)計比較簡單，應(yīng)盡量使形狀的轉(zhuǎn)移只取決于一個條件。在流程圖中添加了幾個空操作〔及添加了幾個過度形狀〕。CRG——當客人下車時，不能再進展誤時計費，應(yīng)對誤時信息進展去除S9——實現(xiàn)堅持形狀，運用CRG控制74LS161的控制信號ENP乘客下車后，對系統(tǒng)清零初始化2.6.2堆棧處置器的設(shè)計2.6.2.1明確設(shè)計要求堆棧處置器應(yīng)能完成兩個根本功能：與外部數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)交換符合堆棧要求〔先進后出〕；對存儲的數(shù)據(jù)能進展算術(shù)運算。2.6.2.2確定系統(tǒng)方案用高級言語描畫的算法替代流程圖先用高級言語將堆棧處置器對數(shù)據(jù)的操作情況進展描畫。高級言語對數(shù)字系統(tǒng)的描畫不涉及到詳細實現(xiàn)和詳細器件，必需將其逐漸細化。在逐漸細化的過程中得到數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的構(gòu)造和用RTL言語描畫的系統(tǒng)行為的算法。STACKP:{inputs:DINtypeinteger, PUSH,POP,ADD,SUB,MUL,DIV,START, RESETtypeboolean; outputs:DOUTtypeinteger, READY,EMPTY,ONE,FULLtypeboolean; localobjects:STACKtypeinteger-vector, one-empty-slot,two-elementstypeboolean}高級言語描畫法init:initializeFULL,EMPTYandONE;wait:ifSTARTthen begin READY←0∥→pushifPUSH/→popifPOP /→opif(ADDorSUBorMULorDIV) endelse→wait;push:SP←SP-1∥STACK(SP-1)←DIN∥EMPTY←0∥ifone-empty-slotthenFULL←1∥ifONEthenONE←0∥ifEMPTYthenONE←1∥READY←1∥→wait;pop:DOUT←STACK(SP)∥SP←SP+1∥FULL←0∥ifONEthen(EMPTY←1∥ONE←0)∥iftwo-elementsthenONE←1∥READY←1∥→wait;op:STACK(SP+1)←[STACK(SP)<op>STACK(SP+1)]∥SP←SP+1∥FULL←0∥iftwo-elementsthenONE←1∥READY←1∥→wait;endSTACKP2.6.2.3數(shù)據(jù)子系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)子系統(tǒng)包括對數(shù)據(jù)的存儲、運算、傳輸以及和控制子系統(tǒng)之間的條件和控制信號交換幾大部分?！?〕堆棧存儲器用容量為aa×N的RAM作為堆棧存儲器，對RAM數(shù)據(jù)的存取必需先對地址操作，然后對數(shù)據(jù)操作，這樣速度較慢。為了提高速度，用兩個存放器A、B直接和總線進展數(shù)據(jù)交換，RAM那么作為后備。堆棧存儲器構(gòu)造特點：存放器A、B直接和總線進展數(shù)據(jù)交換，RAM只和存放器B進展數(shù)據(jù)交換；必需設(shè)有標志信號FA和FB，分別標志存放器A滿，和存放器B滿；存放器A是堆棧存儲器的棧頂，存放器B是次棧頂，B不能在A之前先空。堆棧存儲器的任務(wù)過程：①進?！睵USH〕堆棧存儲器的任務(wù)過程：②出棧〔POP〕堆棧存儲器的任務(wù)過程：③算術(shù)運算〔OP〕堆棧存儲器RAMRAM容量：M〔1024，16〕地址：〔由于SP＝1024〔初始化值〕，共1025個地址，需11位〕地址產(chǎn)生器MA，SP＝v[MA];棧滿時，F(xiàn)ULL＝1，SP＝0；棧內(nèi)只需一個字時，ONE=1,SP=1023=aa-1；當空棧時，EMPTY=1,SP=1024。存放器 存放器A〔16〕、B〔16〕、輸出存放器Do〔16〕、操作碼存放器ROP〔6〕和標志存放器FA、FB。〔2〕運算器加減乘除運算操作T(ADD)=T(SUB)=2,T(MUL)=8,T(DIV)12〔3〕數(shù)據(jù)途徑〔4〕條件與控制點數(shù)據(jù)子系統(tǒng)與外部的數(shù)據(jù)交換是DIN和DOUT外部輸入的控制信號是操作碼：PUSH，POP，ADD，SUB，MUL，DIV數(shù)據(jù)子系統(tǒng)輸出到外部的條件信號是：READY； FULL：＝〔v[MA]=0〕〔FA=1〕〔FB=1〕； EMPTY：＝〔v[MA]=1024〕〔FA=0〕〔FB=0〕； ONE：＝〔v[MA]=1023〕〔FA=0〕〔FB=0〕+〔v[MA]=1024〕〔FA=0〕〔FB=1〕；〔4〕條件與控制點數(shù)據(jù)子系統(tǒng)輸出到控制子系統(tǒng)的部分條件信號： 操作碼PUSH，POP，OP〔：＝ADD+SUB+MUL+DIV〕； 存儲器信息FA，F(xiàn)B，MREADY； 運算器信息OREADY。2.6.2.4控制子系統(tǒng)設(shè)計〔1〕畫出堆棧處置器的形狀轉(zhuǎn)移圖采用文字及助記符表示的描畫言語來描畫系統(tǒng)的形狀轉(zhuǎn)移，并闡明每個形狀數(shù)據(jù)子系統(tǒng)所進展的操作。與前面的描畫系統(tǒng)方案的行為處置級的高級言語不同，此描畫言語是和數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的硬件模塊電路相對應(yīng)，屬于存放器傳輸級的描畫言語〔RTL——RegisterTransferenceLanguage〕相當于MDS圖STACKP:{inputs:DIN(16)typebit-vector, PUSH,POP,ADD,SUB,MUL,DIV,START, RESETtypeboolean; outputs:DOUT(16)typebit-vector, READY,EMPTY,ONE,FULLtypeboolean; localobjects:M(1024,16)typebit-vector-array, A(16),B(16),Do(16),ROP(6),MA(11)typebit-vector FA,FBtypeboolean}init:ROP←0∥MA←1024∥FA←0∥FB←0∥READY←1∥→wait;wait:ifSTARTthen{ROP←OPCODE∥READY←0∥→1ifPUSH/→7ifPOP/→12if(ADD+SUB+MUL+DIV)}else→wait; *pushoperation*1:→2if(FA·FB)/→5if(FA·FB)/→6if(FA·FB);2:MA←DEC(MA);3:WRITE(M);∥→4ifMREADY;4:B←A∥A←DIN∥ROP←0∥READY←1∥→wait;5:A←DIN∥FA←1∥ROP←0∥READY←1∥→wait;6:B←DIN∥FB←1∥ROP←0∥READY←1∥→wait; *popoperation*7:→8if(FA·FB)/→9if(FA·FB)/→10if(FA·FB);8:Do←A∥FA←0∥ROP←0∥READY←1∥→wait;9:Do←B∥FB←0∥ROP←0∥READY←1∥→wait;10:READ(M);∥→11ifMREADY;11:MA←INC(MA)∥Do←B∥ROP←0∥READY←1∥→wait; *add,subtract,multiply,ordivideoperation*12:→13if(FA·FB)/→14if(FA·FB)/→17if(FA·FB);13:B←OP(A,B)∥FA←0∥ROP←0∥READY←1∥→waitifOREADY;14:A←B;15:READY(M);∥→16ifMREADY;16:B←OP(A,B)∥MA←INC(MA)∥ROP←0∥READY←1∥→waitifOREADY;17:READ(M)∥→18ifOREADY;18:A←B∥MA←INC(MA);19:READ(M)∥→20ifOREADY;20:B←OP(A,B)∥MA←INC(MA)∥FB←1∥ROP←0∥READY←1∥→waitifOREADY;endSTACKP2.6.2.4控制子系統(tǒng)設(shè)計〔2〕微程序控制器的設(shè)計除0，1，7，12句是多測試變量〔PUSH，POP，OP，F(xiàn)A，F(xiàn)B〕外，其他都無測試變量。多測試變量可運用直接尋址法單測試變量可運用單測試雙地址或單測試單地址本例以無條件轉(zhuǎn)移居多，不適用以上方法。采用在微指令中參與地址控制段ACF的方法。ACF：00不用，01地址計數(shù)器加1，10地址計數(shù)器置數(shù)，11地址計數(shù)器清零由于每條語句的執(zhí)行時間不同，因此微指令中需用一位作為時間段TF0：多個時鐘周期1：一個時鐘周期采用層次分析法設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)過前面的幾個數(shù)字系統(tǒng)，我們可以發(fā)現(xiàn)它們都是帶有系統(tǒng)時鐘的同步系統(tǒng)，可以明顯地將系統(tǒng)劃分成數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)兩大模塊。但是，還有很多數(shù)字系統(tǒng)并不能明顯地劃分為受控器和控制器兩大模塊，針對這種系統(tǒng)我們可以采用“層次分析方法〞進展設(shè)計。層次分析方法是一種自上而下的設(shè)計方法，它抓住系統(tǒng)的根本要求，分析系統(tǒng)的任務(wù)流程，設(shè)計者充分運用本人的電路知識，自上而下地分析，從粗到細，層層細化，逐漸完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。層次分析法設(shè)計步驟分析設(shè)計要求，分析系統(tǒng)的任務(wù)流程，畫出功能方框圖充分運用本人的電路知識，畫出實現(xiàn)功能的原理方框圖根據(jù)設(shè)計要求細化原理方框圖由電路原理方框圖導(dǎo)出各部分電路圖全面檢查電路原理圖的功能〔異常處置〕根據(jù)電路原理圖及器件手冊選用符合要求的元器件例：數(shù)字頻率計的設(shè)計設(shè)計要求：被測信號頻率范圍0.01Hz~200MHz被測信號電平范圍0.1~3V顯示4位數(shù)字顯示單位：Hz、kHz、MHz可以正確顯示小數(shù)點可以延續(xù)測試，電路自動清零，自動記憶丈量結(jié)果，并不斷反復(fù)測試過程量程轉(zhuǎn)換用數(shù)字電路實現(xiàn)誤差不大于1位數(shù)字輸入阻抗大于1MΩ，輸入電容小于10pF任務(wù)溫度-20~+40℃，相對濕度小于90％1.分析設(shè)計要求，畫出功能方框圖功能方框圖只是粗略地表示系統(tǒng)應(yīng)完成的功能，標明它與外界輸入、輸出信號交換和能夠有的控制鍵。數(shù)字頻率計是用數(shù)字顯示被測信號頻率的儀器，可簡單地劃分為丈量和顯示兩大部分。2.實現(xiàn)功能的原理方框圖頻率計的根本原理是用一個頻率穩(wěn)定度高的頻率源作為基準時鐘，對比丈量其他信號的頻率。閘門時間越長，得到的頻率值就越準確，但閘門時間越長那么每測一次頻率的間隔就越長。閘門時間越短，測的頻率值刷新就越快，但測得的頻率精度就受影響。原理方框圖3.根據(jù)設(shè)計要求細化原理方框圖〔1〕根據(jù)輸入信號頻率范圍及測試要求劃分量程〔2〕延續(xù)測試、自動清零、記憶鎖存和清零的脈沖寬度之和應(yīng)小于最小的閘門時間〔0.01ms〕4.由電路原理方框圖導(dǎo)出各部件電路圖電路原理方框圖還不是電路圖，應(yīng)該把方框圖中的每一個方框變成一個詳細的電路?！?〕量程轉(zhuǎn)換電路利用模8計數(shù)器產(chǎn)生數(shù)據(jù)選擇器編碼，用RS觸發(fā)器作為消抖電路消除手動按鈕產(chǎn)生的抖動。〔2〕時基電路〔3〕小數(shù)點位置及頻率單位顯示控制電路〔4〕計數(shù)器清零脈