第7章数字系统设计备课讲稿.ppt

第7章数字系统设计7.1数字系统设计概述2.数字系统的一般结构
按照现代数字系统设计理论，任何数字系统都可按计算机结构原理从逻辑上划分为数据子系统(DataSubsystem)和控制子系统(ControlSubsystem)两个部分，如图7-1所示。数据子系统是数字系统的数据存储与处理单元，数据的存储、传送和处理均在数据子系统中进行。它从控制子系统接收控制信息，并把处理过程中产生的状态信息提供给控制子系统。由于它主要完成数据处理功能且受控制器控制，因此也常常把它叫做数据处理器或受控单元。
控制子系统习惯上称为控制器或控制单元，它是数字系统的核心。数据子系统只能决定数字系统能完成哪些操作，至于什么时候完成何种操作则完全取决于控制子系统。控制子系统根据外部控制信号决定系统是否启动工作，根据数据子系统提供的状态信息决定数据子系统下一步将完成何种操作，并发出相应的控制信号控制数据子系统实现这种操作。控制子系统控制数字系统的整个操作进程。7.1.2数字系统设计的一般过程1.系统调研，确定总体方案
接受一个数字系统的设计任务后，首先应对设计课题进行充分的调研，深入了解待设计系统的功能、使用环境与使用要求，选取合适的工作原理与实现方法，确定系统设计的总体方案。这是整个设计工作中最为困难也最体现设计者创意的一个环节。因为同一功能的系统有多种工作原理和实现方法可供选择，方案的优劣直接关系到所设计的整个数字系统的质量，所以必须对可以采用的实现原理、方法的优缺点进行全面、综合的比较、评判，慎重地加以选择。总的原则是，所选择的方案既要能满足系统的要求，又要结构简单，实现方便，具有较高的性能价格比。2.逻辑划分，导出系统框图
系统总体方案确定以后，可以根据数据子系统和控制子系统各自的功能特点，将系统从逻辑上划分为数据子系统和控制子系统两部分，导出包含有必要的数据信息、控制信息和状态信息的结构框图。逻辑划分的原则是，怎样更有利于实现系统的工作原理，就怎样进行逻辑划分。为了不使这一步的工作太过复杂，结构框图中的各个逻辑模块可以比较笼统、比较抽象，不必受具体芯片型号的约束。3.功能分解，构造数据子系统
逻辑功能划分后获得的数据子系统结构框图中的各个模块还比较抽象，功能也可能还比较复杂，必须进一步对这些模块进行功能分解，直到可用合适的芯片或模块来实现具体的存储和处理功能。适当连接这些芯片、模块，就可构造出数据子系统的详细结构。必须注意，为了简化控制子系统的设计，数据子系统不仅要结构简单、清晰，而且要便于控制。4.算法设计，实现控制子系统
根据导出的数据子系统结构，编制出数字系统的控制算法，得到数字系统的控制状态图，并采用同步时序电路设计的方法完成控制子系统的设计。
数字系统的控制算法反映了数字系统中控制子系统对数据子系统的控制过程，它与系统所采用的数据子系统的结构密切相关。例如，某个数字系统中有10次乘法操作，且参与乘法操作的数据可以同时提供。如果数据子系统有10个乘法器，则控制算法中就可以让这10次乘法操作同时完成；但如果数据子系统中只有一个乘法器，则控制算法就只能是逐个完成这10次乘法操作。因此，算法设计要紧密结合数据子系统的结构来进行。一般来讲，数据子系统通常为人们熟悉的各种功能电路，无论是采用现成模块还是自行设计，都有一些固定的方法可循，不用花费太多精力。相对说来，控制子系统的设计要复杂得多。因此，人们往往认为数字系统设计的主要任务就是要设计一个好的控制子系统。经过上述四个步骤后，数字系统设计在理论上已经完成。为了保证系统设计的正确性和可靠性，如果有条件的话，可以先采用EDA软件对所设计的系统进行仿真，然后再用具体器件搭设电路。搭设电路时，一般按自底向上的顺序进行。这样做，不仅有利于单个电路的调试，而且也有利于整个系统的联调。因此，严格地讲，数字系统设计的完整过程应该是“自顶向下设计，自底向上集成”。必须指出，数字系统的上述设计过程主要是针对采用标准集成电路的系统而言的。实际上，除了采用标准集成电路外，还可以采用PLD器件或微机系统来实现数字系统，此时的设计过程会略有不同。例如采用PLD器件设计数字系统时，就没有必要将系统结构分解为一些市场上可以找到的基本模块；在编写出源文件并编译仿真后，通过“下载”就可获得要设计的系统或子系统。7.1.3数字系统的总体方案与逻辑划分
1.数字系统的总体方案
数字系统的总体方案的优劣直接关系到整个数字系统的质量与性能，需要根据系统的功能要求、使用要求及性能价格比周密思考后确定。下面通过两个具体实例进行说明。
【例7-1】某数字系统用于统计串行输入的n位二元序列X中“1”的个数，试确定其系统方案。
解该数字系统的功能用软件实现最为方便，但此处仅讨论硬件实现问题。该系统看起来非常简单，但却无法用前面介绍的同