數字電子技術Chart7

數字電子技術Chart_72024/3/24數字電子技術Chart7主要內容7.1數字系統設計概述7.2數字系統設計的常用工具7.3數字系統的實現方法7.4數字系統舉例數字電子技術Chart7常用工具ASM圖和MDS圖的描述方法；硬件描述語言VHDL基本結構和設計方法、以及數字系統的實現方法。本章重點數字電子技術Chart7一、基本概念7.1數字系統設計概述圖7.1數字系統組成框圖數字系統的組成什么是數字系統結構上的特點數字電子技術Chart7二、設計的一般過程自頂向下（Top-down）的設計方法圖7.2自頂而下的方法這里的“頂”指系統的功能；“向下”指將系統由大到小、由粗到精進行分解，直至可用基本模塊實現。自頂向下設計方法的一般過程大致上可以分為五步數字電子技術Chart77.2數字系統設計的常用工具一、ASM圖和MDS圖描述方法ASM圖的基本符號和結構ASM(AlgorithmicStateMachineChart)圖由狀態(tài)框、判別框（條件分支框）、條件輸出框和輸入、輸出路徑構成。（a）ASM圖狀態(tài)框符號（b）狀態(tài)框組成的ASM圖圖7.3ASM圖的狀態(tài)框狀態(tài)框數字電子技術Chart7一、ASM圖和MDS圖描述方法判別框（條件分支框）（a）條件分支框符號（b）條件分支表示法圖7.4ASM圖的條件分支框數字電子技術Chart7一、ASM圖和MDS圖描述方法判別框（條件分支框）（a）條件分支框符號（b）條件分支表示法圖7.4ASM圖的條件分支框（a）真值表圖解分支法（b）變量優(yōu)先級分支法圖7.5三個分支表示法數字電子技術Chart7一、ASM圖和MDS圖描述方法條件輸出框圖7.6具有條件輸出框的ASM圖數字電子技術Chart7一、ASM圖和MDS圖描述方法ASM圖硬件實現例7.1已知ASM圖如圖7.7所示，用PLA陣列和一定數量的D觸發(fā)器實現。圖7.7經過狀態(tài)圖分配的ASM圖數字電子技術Chart7ASM圖硬件實現根據ASM圖，確定存在幾種狀態(tài)ASM圖導出狀態(tài)轉換表現態(tài)次態(tài)輸出0000011001111001Ф000010Ф000011Ф0000表7.1狀態(tài)轉換表數字電子技術Chart7ASM圖硬件實現由ASM圖可得到輸出方程最后得到硬件邏輯圖圖7.8圖7.7的PLA邏輯電路圖數字電子技術Chart7一、ASM圖和MDS圖描述方法MDS圖MDS圖的基本符號和結構狀態(tài)圖到MDS圖（a）狀態(tài)圖（b）有輸出的MDS圖圖7.9狀態(tài)圖到MDS圖的變化有輸出的狀態(tài)圖到MDS圖數字電子技術Chart7一、ASM圖和MDS圖描述方法狀態(tài)圖到MDS圖有條件輸入的MDS圖圖7.11條件輸出數字電子技術Chart7一、ASM圖和MDS圖描述方法ASM圖轉換MDS圖圖7.12（a）ASM圖至MDS一例圖7.12（b）ASM圖至MDS另一例數字電子技術Chart7ASM圖轉換MDS圖ASM圖中的條件輸出與MDS圖中的條件輸出相對應圖7.13詳細ASM圖至MDS圖的轉換之二圖7.14詳細ASM圖至MDS圖的轉換之三數字電子技術Chart7二、VHDL硬件描述語言硬件描述語言(HardwareDescriptionLanguage—HDL)RTL語言(RegisterTransferLanguage)GSAL語言(Group-SequentialAlgorithmslanguage)圖7.15分組-按序算法VHDL語言(VHSICHardwaredescriptionLanguage)數字電子技術Chart7VHDL語言是硬件描述語言中抽象程度很高的一種語言，特別便于對整個系統的數學模型的描述。利用VHDL語言設計數字系統的特點利用VHDL語言設計數字系統的特點采用自上而下的設計方法系統可大量采用PLD芯片采用系統早期仿真降低了硬件電路設計難度主要設計文件是用VHDL語言編寫的源程序數字電子技術Chart7VHDL語言實體（ENTITY），具體的格式如下：VHDL語言的基本結構一個完整的VHDL語言程序通常包含實體（Entity）、結構體（Architecture）、配置（Configuration）、程序包（Package）和庫（Library）5個部分。ENTITY實體名IS[類屬參數說明；][端口說明；]END實體名；PORT（端口名：方向數據類型；∶∶端口名：方向數據類型）；端口說明：IEEE1076標準包中定義了以下常用的端口模式：IN輸入，只可以讀OUT輸出，只可以寫B(tài)UFFER輸出INOUT雙向，可以讀或寫數字電子技術Chart7VHDL語言例7.22輸入端與非門的實體描述示例。LIBRARYIEEE；USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；ENTITYnandISPORT(a：INSTD_LOGIC；b：INSTD_LOGIC；c：OUTSTD_LOGIC)；ENDnand；數字電子技術Chart7VHDL語言結構體（ARCHITECTURE）結構體分為兩部分：結構說明部分和結構語句部分，其具體的描述格式為：ARCHITECTURE結構體名OF實體名IS--說明語句BEGIN--并行語句END結構體名；說明語句：用于對結構體內部使用的信號、常數、數據類型和函數進行定義。例如：ARCHITECTUREbehavOFmuxISSIGNALnel：STD_LOGIC；∶BEGIN∶ENDbehav；數字電子技術Chart7VHDL語言例7.3全加器的完整描述示例圖7.16電路原理圖數字電子技術Chart7VHDL語言結構體（ARCHITECTURE）結構體分為兩部分：結構說明部分和結構語句部分，其具體的描述格式為：ARCHITECTURE結構體名OF實體名IS--說明語句BEGIN--并行語句END結構體名；說明語句：用于對結構體內部使用的信號、常數、數據類型和函數進行定義。例如：ARCHITECTUREbehavOFmuxISSIGNALnel：STD_LOGIC；∶BEGIN∶ENDbehav；數字電子技術Chart7VHDL語言結構體（ARCHITECTURE）結構體分為兩部分：結構說明部分和結構語句部分，其具體的描述格式為：ARCHITECTURE結構體名OF實體名IS--說明語句BEGIN--并行語句END結構體名；說明語句：用于對結構體內部使用的信號、常數、數據類型和函數進行定義。例如：ARCHITECTUREbehavOFmuxISSIGNALnel：STD_LOGIC；∶BEGIN∶ENDbehav；數字電子技術Chart7VHDL語言程序包、庫及配置庫（LIBRARY）庫是經編譯后的數據的集合，用來存放程序包定義、實體定義、結構體定義和配置定義，使設計者可以共享已經編譯過的設計結果。庫的說明總是放自在設計單元的最前面：LIBRARY庫名；程序包（PACKAGE）程序包由標題和包體兩部分組成,其結構如下:數字電子技術Chart7VHDL語言數據類型的種類VHDL語言的數據對象VHDL語言的數據類型數據類型的轉換VHDL語言的運算操作符VHDL語言的主要描述語句順序語句并行語句VHDL語言的數據類型和運算操作符標號：BLOCK塊頭{說明部分}BEGIN{并行語句}ENDBLOCK標號；[進程標號：]PROCESS（敏感信號表）[IS][說明區(qū)]BEGIN順序語句ENDPROCESS[進程標號]；數字電子技術Chart7VHDL語言例7.4由時序邏輯電路構成的模10計數器數字電子技術Chart77.3數字系統的實現方法數字系統通?？梢杂糜布?Hardware)、軟件(Software)和微程序（Micro-Program）方法予以實現。一、硬件控制器的實現方法在MSI硬件實現方法中，常用計數器／移位寄存器模塊、譯碼器模塊和少量的邏輯門來實現控制子系統。數字電子技術Chart7一、硬件控制器的實現方法例7.5用4位二進制同步可預置加法計數器芯片74LS161(除是異步清0外，其它與74LSl63完全相同)及譯碼器實現前述數值計算系統的控制子系統。圖7.17控制狀態(tài)圖數字電子技術Chart7一、硬件控制器的實現方法例7.5用4位二進制同步可預置加法計數器芯片74LS161(除是異步清0外，其它與74LSl63完全相同)及譯碼器實現前述數值計算系統的控制子系統。圖7.18硬件控制器電路圖數字電子技術Chart7二、微程序控制器的實現方法基本思想：將系統控制過程按一定的規(guī)則(算法)編制成指令性條目并將其存放在控制存儲器中，然后一條條將它們取出并轉化為系統的各種控制信號，從而實現預定的控制過程。數字電子技術Chart7二、微程序控制器的實現方法例7.6用微程序設計方法實現前述數值計算系統的控制子系統。解：該系統共有5個狀態(tài)、2個條件(st，k)、9個控制信號。5個狀態(tài)，需要3位二進制編碼，即n＝3；2個條件，9個控制信號，即p＝2，m＝9；所需ROM的地址為n+p＝3+2＝5位，ROM單元數為2n+p＝25＝32個(實際上，3位編碼中，只用000～100五種，故實際只需要5×2×2＝5×4＝20個單元)；ROM字長為n＋m＝3＋9＝12位，ROM容量為2n+p×(n+m)＝32×12位。數字電子技術Chart7二、微程序控制器的實現方法數字電子技術Chart7二、微程序控制器的實現方法圖7.20微程序控制器電路數字電子技術Chart77.4數字系統設計舉例首先從系統級分析入手，確定初步方案；然后將設計細分，進行模塊劃分；直至用VHDL進行綜合;編寫控制算法，實現系統仿真。其過程大致分為三步：系統調研，確定初步方案；模塊劃分，確定詳細方案；選用模塊，完成具體設計。數字電子技術Chart7數字密碼引爆系統設計實例系統概述數字密碼引爆器的密碼將采用三個十進制數字，當三個數字輸入正確后，就可以正確引爆起爆裝置。當輸入密碼不正確時，多一位或少一位十進制數據都不會引爆，將產生錯誤，使系統報警，增加了系統的可靠性。系統功能描述與使用要求輸入信號及電路輸出信號及電路確定系統的基本方案數字電子技術Chart7數字密碼引爆系統設計實例設計步驟與過程數字密碼引爆器頂層設計頂層方案設計輸入電路描述引爆過程頂層實體的VHDL程序頂層結構體的設計及VHDL實現圖7.21數字密碼引爆器頂層框圖數字電子技術Chart7數字密碼引爆系統設計實例圖7.22數字密碼引爆器部分結構框圖數字電子技術Chart7數字密碼引爆系統設計實例圖7.23消抖同步化電路數字電子技術Chart7數字密碼引爆系統設計實例圖7.24數字密碼引爆器結構框圖數字電子技術Chart7數字密碼引爆系統設計實例次級電路分析與VHD