第七章數字系統設計基礎

7.1概述主講人：黃麗亞7.1概述數字系統是由若干數字邏輯部件構成的，能夠對數字信息進行處理、傳送及存儲的物理設備，它是計算機、人工智能、機器人、數字通信等技術的共同的物理基礎。

工程中廣泛應用的是只有一個時鐘的同步數字系統，本章只討論同步數字系統。對于大規模數字系統設計，傳統的真值表、卡諾圖、邏輯方程、狀態轉移圖等方法已經無法適應，需要一種數字系統的設計方法，突破傳統方法的局限性。受控器，完成對信息的處理7.1.1數字系統的基本模型輸出接口數據處理器輸入接口控制器時鐘外部輸入激勵信號狀態信號控制信號數字邏輯子系統外部輸出激勵信號完成A/D，同步化處理。完成D/A轉換完成對處理器的控制。有無控制器是區別數字系統和簡單邏輯部件的標志。SC輸入接口外部輸入控制信號輸出接口外部輸出控制信號(1)數據處理器

圖7.1.2數據處理器模型數據處理器控制器狀態信號控制信號數字邏輯子系統SC

組合邏輯網絡QmQ1

m

1……輸入信號輸出信號…S控制網絡…

m

1CXZZ=G(X,Q,C)數據處理器的描述方法明細表：規定數據處理任務的表格兩個子表：操作表和狀態變量表。操作表：列出在控制信號下，數據處理器應實現的操作。狀態變量表：定義數據處理器輸出的狀態變量和信號。

組合邏輯網絡QmQ1

m

1……輸入信號輸出信號…S控制網絡…

m

1CXZ設一個簡單數據處理器如圖A←0,B←0CLAB輸出Z=AB←B+XADDBX<0S2A←A+XADDAX>0S1無操作NOP定義狀態變量操作控制信號狀態變量表操作表表7.1.1數據處理器明細表AB組合電路SCXZ2.控制器

實現一個較復雜的任務，必存在一個算法，控制器就是用來規定算法的步驟。

控制器決定算法步驟，必須有記憶能力，所以它是一個時序電路，應包含存儲器。C=F（S,CI,Q）Qn+1=G（S,CI,Qn）

控制器的描述方法：狀態轉移圖或狀態轉移表組合邏輯網絡S(Q)狀態寄存器C現態激勵信號外部輸入控制信號CI

外部輸出控制信號COCO=F（S,CI,Q）7.1.2對數字系統的時序的約定1.同步數字系統

(1)只有一個系統時鐘；

(2)輸入信號都與系統時鐘同步；

(3)系統時鐘同時到達所有存儲元件的時鐘脈沖輸入端。

CP

現態次態圖7.1.4系統時鐘脈沖波形

組合邏輯網絡QmQ1

m

1…輸出信號…S=R(X,Q)控制網絡…

m

1C=F(S,CI,Q)…輸入信號XZ=G(X,Q,C)組合邏輯網絡外部輸入控制信號CI外部輸出控制信號(Q)狀態寄存器現態1）最小時鐘周期CP1.觸發器和輸入更新；2.狀態信號S更新；3.控制信號C更新；4.輸出信號Z和控制網絡

更新；最小周期由以上操作時間決定。3.異步輸入信號轉換成同步輸入信號異步輸入信號：早于或晚于系統時鐘有效沿出現的輸入信號。CP

異步輸入a異步輸入b

同步化后的輸入a

同步化后的輸入b同步化處理的思路：

(1)將異步輸入信號寄存并保留到下一個系統時鐘出現為止；(2)讓同步化后的輸入與當前系統時鐘的有效時刻同時出現，并保持一個時鐘周期。圖7.1.7適應于寬脈沖的單脈沖電路PB﹡CPQ1Q2PB(b)波形圖1DC11QQPBPB﹡1DC12QQCP(a)電路1.系統設計確定輸出和輸入之間的關系，找到實現數字系統的設計原理和方法。劃分系統的控制單元和受控單元，確定初始結構框圖。建立算法流程圖，表示解決問題的步驟。明確設計任務確定初始結構算法流程圖7.1.4數字系統的設計步驟（自頂向下法）①數據處理器設計②控制器設計

建立操作明細表建立狀態轉移表2、邏輯設計根據一定的規則將算法流程圖轉換成ASM圖。7.1.4數字系統的設計步驟選擇合理的器件和連接關系，以實