1、1主要內容主要內容n數字系統的模型結構數字系統的模型結構n數字系統的算法與描述數字系統的算法與描述n數字系統設計的基本步驟數字系統設計的基本步驟2數字系統模型結構數字系統模型結構3模型結構模型結構n按照數字系統的定義來構成模型按照數字系統的定義來構成模型u數據處理模塊：數據處理子系統數據處理模塊：數據處理子系統/信息處理單元信息處理單元v功能：完成數據的采集、存儲、運算和傳輸功能：完成數據的采集、存儲、運算和傳輸v組成：由存儲器組成：由存儲器/運算器運算器/寄存器寄存器/數據選擇器等組成數據選擇器等組成v工作過程：根據接收的控制信號完成數據的存取和運算，工作過程：根據接收的控制信號完成數據的存

2、取和運算，并將操作進程和結果作為條件信號反饋給控制器。并將操作進程和結果作為條件信號反饋給控制器。4模型結構模型結構n按照數字系統的定義來構成模型按照數字系統的定義來構成模型u控制器模塊：控制子系統控制器模塊：控制子系統v功能：系統功能的核心功能：系統功能的核心v組成：由組合電路和存儲電路或寄存器組成組成：由組合電路和存儲電路或寄存器組成v工作過程：接收外部控制信號和數據處理器的條件信號。工作過程：接收外部控制信號和數據處理器的條件信號。控制器在時鐘信號的作用下進行狀態轉換，同時產生與控制器在時鐘信號的作用下進行狀態轉換，同時產生與狀態和條件信號相對應的控制信號，通過控制信號去控狀態和條件信號

3、相對應的控制信號，通過控制信號去控制數據處理器完成具體的操作。制數據處理器完成具體的操作。5模型結構模型結構n典型的模型結構典型的模型結構數據處理器數據處理器控制器控制器數據輸入數據輸入數據輸出數據輸出時鐘信號時鐘信號控制信號控制信號條件信號條件信號外部控制信號外部控制信號6數據處理器數據處理器7數據處理器的功能數據處理器的功能n完成系統算法規定的邏輯功能完成系統算法規定的邏輯功能數據存儲、數據存儲、算術和邏輯運算、數據傳送和變換。算術和邏輯運算、數據傳送和變換。n數字系統的功能單元數字系統的功能單元n數據處理器實現需要考慮的幾個方面數據處理器實現需要考慮的幾個方面u選擇器件的考慮選擇器件的考

4、慮u數據處理器的結構模型數據處理器的結構模型u信號的輸入輸出關系信號的輸入輸出關系u數據處理器的設計步驟數據處理器的設計步驟8數據處理器的器件選擇數據處理器的器件選擇n資源滿足功能需求，且要一定的裕度資源滿足功能需求，且要一定的裕度n性能因素：速度性能因素：速度/可靠性可靠性/功耗功耗/可測試性可測試性/n物理因素：尺寸物理因素：尺寸/散熱散熱/封裝封裝/n成本因素：器件成本成本因素：器件成本/軟件成本軟件成本/開發成本開發成本/維維護成本護成本/9數據處理器的結構數據處理器的結構 n數據處理器可以由寄存器和組合邏輯電路組成數據處理器可以由寄存器和組合邏輯電路組成 寄存器寄存器組合邏輯電路組合

5、邏輯電路EQ時鐘信號時鐘信號YZXTSn輸入信號輸入信號Xn輸出信號輸出信號Zn控制信號控制信號Tn條件信號條件信號SnY為寄存器的輸入信號為寄存器的輸入信號nQ為寄存器狀態信號為寄存器狀態信號n功能選擇信號功能選擇信號E10數據處理器的信號關系數據處理器的信號關系n寄存器的狀態信號寄存器的狀態信號Q u狀態信號狀態信號Q在時鐘信號的有效邊沿發生改變在時鐘信號的有效邊沿發生改變u有現態有現態(Qn)和次態和次態(Qn+1)之分之分u狀態信號的關系狀態信號的關系Qn+1 =F(X, Qn,T)u寄存器的次態與數據處理器的輸入信號寄存器的次態與數據處理器的輸入信號X、數據處、數據處理器的控制信號理

6、器的控制信號T和寄存器的現態和寄存器的現態Qn有關有關 11數據處理器的信號關系數據處理器的信號關系n數據處理器的輸入信號數據處理器的輸入信號Xu待處理的輸入信息待處理的輸入信息n數據處理器的控制信號數據處理器的控制信號Tu來自控制器的輸出控制端，決定數據處理器實現哪來自控制器的輸出控制端，決定數據處理器實現哪一種操作，何時有輸出信號一種操作，何時有輸出信號 u控制信號應是一組序列信號控制信號應是一組序列信號u常見的控制信號：常見的控制信號：CLR、ADD、INC、DEC等等 12數據處理器的信號關系數據處理器的信號關系n數據處理器的輸出信號數據處理器的輸出信號Zu數據處理器的輸出信號數據處理

7、器的輸出信號Z是輸入信號是輸入信號X、寄存器的、寄存器的現態現態Qn和控制信號和控制信號T的函數的函數ZG(X， Qn ，T)n數據處理器的條件信號數據處理器的條件信號S u條件信號條件信號S是通過對被處理信息的檢測而產生的，是通過對被處理信息的檢測而產生的，反映了被處理信息的狀態反映了被處理信息的狀態u數據處理器的條件信號數據處理器的條件信號S是輸入信號是輸入信號X、寄存器的、寄存器的狀態狀態Qn的函數。其表達式為：的函數。其表達式為：SR(X， Qn) 13數據處理單元設計的基本步驟數據處理單元設計的基本步驟 n組成數據處理單元邏輯框圖組成數據處理單元邏輯框圖n構成數據處理單元詳細邏輯電路

8、圖構成數據處理單元詳細邏輯電路圖n確定控制信號時序確定控制信號時序 14控制器控制器15數字系統的控制方式數字系統的控制方式 n數字系統有三種控制方式數字系統有三種控制方式u集中控制：僅使用一個控制器來控制整個系統算法集中控制：僅使用一個控制器來控制整個系統算法的執行，常采用同步工作方式的執行，常采用同步工作方式 u分散控制：全部的控制功能分散在各個子系統中完分散控制：全部的控制功能分散在各個子系統中完成。這種控制方式的時序可以采用同步方式，也可成。這種控制方式的時序可以采用同步方式，也可以采用異步方式以采用異步方式u集散控制：集散控制采用集中管理、分散控制的工集散控制：集散控制采用集中管理、

9、分散控制的工作方式；系統中配有系統控制器作方式；系統中配有系統控制器16控制器的結構控制器的結構 n控制器都要根據外部控制信號，按照規定的算法向數控制器都要根據外部控制信號，按照規定的算法向數據處理器發出操作指令，同時接收來自數據處理器的據處理器發出操作指令，同時接收來自數據處理器的條件信號，確定下一個計算步驟條件信號，確定下一個計算步驟n在某狀態下，控制器根據接收的條件信號在某狀態下，控制器根據接收的條件信號S和外部控和外部控制信號制信號C，由組合電路產生控制信號，由組合電路產生控制信號T。在時鐘到來時，。在時鐘到來時，存儲器轉換到下一個狀態，確定下一個操作步驟。存儲器轉換到下一個狀態，確定

10、下一個操作步驟。 組合邏輯電路組合邏輯電路存儲電路存儲電路q外部控制信號外部控制信號C時鐘信號時鐘信號CP條件信號條件信號S控制信號控制信號T17系統同步系統同步 n系統同步是指控制器與外部輸入信號和來自數系統同步是指控制器與外部輸入信號和來自數據處理單元的反饋信號之間的同步問題據處理單元的反饋信號之間的同步問題 u控制器與外部輸入信號之間的同步，即異步輸入信控制器與外部輸入信號之間的同步，即異步輸入信號的同步化號的同步化u系統控制器的輸出同步系統控制器的輸出同步18異步輸入信號的同步化異步輸入信號的同步化n由門電路構成的基本捕獲單元和由門電路構成的基本捕獲單元和D觸發器組成觸發器組成 19控

11、制器輸出同步控制器輸出同步 n由于兩個方面的原因，輸出將會出現毛刺由于兩個方面的原因，輸出將會出現毛刺u狀態寄存器的各個狀態變量不會同時改變，總是有狀態寄存器的各個狀態變量不會同時改變，總是有先后的，這可能引起瞬時的毛刺輸出。先后的，這可能引起瞬時的毛刺輸出。u若輸入端到輸出端所經途徑不同，即傳輸延時不同，若輸入端到輸出端所經途徑不同，即傳輸延時不同，則會出現毛刺。則會出現毛刺。n同步的基本方法：時鐘觸發器同步的基本方法：時鐘觸發器 20212223242526控制器的功能描述控制器的功能描述 n控制信號方程：控制信號方程：T = F(S，C， Qn)n狀態方程：狀態方程： Qn+1 = G(

12、S，C，Qn)n控制器的狀態轉換表控制器的狀態轉換表 n表中的行表示現態表中的行表示現態Qj，表中的列表示條件信號的，表中的列表示條件信號的取值取值Si，第，第j行第行第i列的內容為控制器的次態和控列的內容為控制器的次態和控制信號制信號T的值。其中，的值。其中，G(Si，C，Qj)表示控制器表示控制器的次態，的次態，F(Si，C，Qj)表示控制信號表示控制信號T的值。的值。27數字系統的算法及其描述數字系統的算法及其描述28主要內容主要內容n算法設計算法設計n數字系統算法流程圖描述數字系統算法流程圖描述n狀態機及算法狀態機圖描述狀態機及算法狀態機圖描述 n備有記憶文件的狀態圖備有記憶文件的狀態

13、圖MDS 29算法設計算法設計n考慮因素：功能與性能考慮因素：功能與性能n考慮硬件結構與資源對算法的影響考慮硬件結構與資源對算法的影響u硬件資源規模小時，考慮設計簡單硬件資源規模小時，考慮設計簡單u硬件資源豐富時，應該考慮提高速度等指標硬件資源豐富時，應該考慮提高速度等指標u算法必須具有硬件的可實現性算法必須具有硬件的可實現性30算法設計算法設計n算法結構算法結構u順序算法結構：各個操作按照次序依次執行順序算法結構：各個操作按照次序依次執行u順序結構的執行時間與數據流個數、操作步驟等有順序結構的執行時間與數據流個數、操作步驟等有關。關。u并行電路實現順序算法需要一定的策略。并行電路實現順序算法

14、需要一定的策略。31算法設計算法設計n并行算法結構并行算法結構u多個操作在同一時刻同時運行，且這些操作之間幾多個操作在同一時刻同時運行，且這些操作之間幾乎沒有依賴關系；乎沒有依賴關系；u每一個操作需要獨立的硬件資源實現，因此硬件成每一個操作需要獨立的硬件資源實現，因此硬件成本較大；本較大；u并行算法結構的運行速度比順序結構高并行算法結構的運行速度比順序結構高32算法設計算法設計n流水線結構流水線結構u把整個運算過程把整個運算過程分解成若干段，分解成若干段，系統在同一時刻系統在同一時刻可對先后輸入的可對先后輸入的數據流元素進行數據流元素進行不同階段的運算。不同階段的運算。u流水線結構幾乎流水線結

15、構幾乎可以在一個時鐘可以在一個時鐘周期內得到一個周期內得到一個結果結果速度很快速度很快(面積換速度面積換速度)33數字系統算法流程圖描述數字系統算法流程圖描述n算法流程圖是一種描述數字系統硬件操作功能算法流程圖是一種描述數字系統硬件操作功能的圖形方法。的圖形方法。n由于描述硬件的動作，某些結構存在并發性。由于描述硬件的動作，某些結構存在并發性。34算法流程圖的符號及其描述方法算法流程圖的符號及其描述方法n啟動框和結束框啟動框和結束框u啟動框和結束框表示該算法流程圖的開始和結束啟動框和結束框表示該算法流程圖的開始和結束35算法流程圖的符號及其描述方法算法流程圖的符號及其描述方法n工作框工作框u用

16、矩形框表示用矩形框表示u框內用文字說明該工作框所對應的硬件操作內容及框內用文字說明該工作框所對應的硬件操作內容及對應的輸出信號對應的輸出信號u算法流程圖與硬件的功能應有很好的對應關系。一算法流程圖與硬件的功能應有很好的對應關系。一個工作框的功能很容易地映射成為一個的邏輯電路。個工作框的功能很容易地映射成為一個的邏輯電路。 36算法流程圖的符號及其描述方法算法流程圖的符號及其描述方法n判斷框判斷框u判斷框用菱形框來描述。判斷框用菱形框來描述。u框內給出判斷量和判斷條框內給出判斷量和判斷條件。根據不同的判斷結果，件。根據不同的判斷結果，算法流程圖將確定轉向不算法流程圖將確定轉向不同的后繼操作。同的

17、后繼操作。u判斷框必定有兩個或兩個判斷框必定有兩個或兩個以上的后續操作，當后續以上的后續操作，當后續操作超過操作超過3個時可以用若個時可以用若干個判斷框連接來描述。干個判斷框連接來描述。37算法流程圖的符號及其描述方法算法流程圖的符號及其描述方法n條件框條件框u條件框用圓角矩形來表示。條件框用圓角矩形來表示。u條件框一定與判斷框的一條件框一定與判斷框的一個分支相連，且僅當該分個分支相連，且僅當該分支條件滿足時，條件框中支條件滿足時，條件框中所表明的操作才被執行。所表明的操作才被執行。u條件框描述了硬件操作的條件框描述了硬件操作的并發性：條件框的操作是并發性：條件框的操作是與判斷結果同時發生的與

18、判斷結果同時發生的 。38算法流程圖的符號及其描述方法算法流程圖的符號及其描述方法n示例：串行加法器示例：串行加法器u串行加法器是利用一位加法器實現兩個多位二進制串行加法器是利用一位加法器實現兩個多位二進制數據相加的電路。數據相加的電路。u四位串行加法器電路的組成：加法控制電路四位串行加法器電路的組成：加法控制電路/累加累加器器(ACC)/加數寄存器加數寄存器/一位全加器和進位位寄存器。一位全加器和進位位寄存器。 39算法流程圖的符號及其描述方法算法流程圖的符號及其描述方法n示例：串行加法器示例：串行加法器40算法流程圖的符號及其描述方法算法流程圖的符號及其描述方法n乘法器乘法器步驟步驟操作內

19、容操作內容被乘數被乘數 乘數乘數備注備注1初始化初始化9位寄存器，乘數最低位為位寄存器，乘數最低位為“1”，故加被乘數故加被乘數 0 0000 1001 0101 0 0101 1001M=12右移右移1位，最低位為位，最低位為“0”，不加被乘數，不加被乘數 0 0010 1100M=03右移右移1位，最低位為位，最低位為“0”，不加被乘數，不加被乘數 0 0001 0110M=04右移右移1位，最低位為位，最低位為“1”，加被乘數，加被乘數 0 0000 1011 0101 0 0101 1011M=15右移右移1位，產生乘法結果位，產生乘法結果 0 0010 110141算法流程圖的符號及

20、其描述方法算法流程圖的符號及其描述方法n乘法器乘法器42算法流程圖的符號及其描述方法算法流程圖的符號及其描述方法n乘法器乘法器43狀態機及算法狀態機圖描述狀態機及算法狀態機圖描述44狀態機分類及其特點狀態機分類及其特點 n控制器根據時序輸出信號產生的機理不同，可控制器根據時序輸出信號產生的機理不同，可以分成兩類：以分成兩類：u米勒米勒(Mealy)型型u摩爾摩爾(Moore)型型45狀態機分類及其特點狀態機分類及其特點nMealy型時序電路型時序電路u一個組合邏輯電路一個組合邏輯電路/一個狀態寄存器一個狀態寄存器u電路的特點：輸出不僅與當前狀態有關，而且還與電路的特點：輸出不僅與當前狀態有關，

21、而且還與輸入有關。輸入有關。46狀態機分類及其特點狀態機分類及其特點nMoore型時序電路型時序電路u輸入信號輸入信號X和狀態鎖存時鐘和狀態鎖存時鐘clk，輸出只有一個，輸出只有一個Y，其輸出其輸出Y值僅與當前的狀態值有關，而與輸入值僅與當前的狀態值有關，而與輸入X值值無關。無關。 47算法狀態機流程圖的符號算法狀態機流程圖的符號 n狀態框狀態框u方框內標注狀態名和輸出信號清單方框內標注狀態名和輸出信號清單u上方的箭頭表示進入該狀態，箭頭的右方標注該狀上方的箭頭表示進入該狀態，箭頭的右方標注該狀態在系統中的編碼態在系統中的編碼u下方箭頭表示該狀態轉離的方向下方箭頭表示該狀態轉離的方向48算法狀

22、態機流程圖的符號算法狀態機流程圖的符號n判斷框判斷框u用一個菱形框來表示用一個菱形框來表示u上方箭頭表示進入該框的上方箭頭表示進入該框的方向方向u左右兩個箭頭表示根據框左右兩個箭頭表示根據框內標明的條件取值不同而內標明的條件取值不同而轉離的方向轉離的方向u條件所取的值將標注在箭條件所取的值將標注在箭頭線的上方頭線的上方49算法狀態機流程圖的符號算法狀態機流程圖的符號n條件輸出框條件輸出框u用圓角矩形框表示。用圓角矩形框表示。u上方箭頭表示條件值轉入的方上方箭頭表示條件值轉入的方向，該帶箭頭的線一定與判斷向，該帶箭頭的線一定與判斷框的一個分支相連，且繼承對框的一個分支相連，且繼承對應分支的條件值

23、。應分支的條件值。u下方的箭頭表示轉離的方向。下方的箭頭表示轉離的方向。u框內標注條件的輸出信號清單。框內標注條件的輸出信號清單。50算法狀態機圖描述實例算法狀態機圖描述實例 n化簡算法狀態機圖化簡算法狀態機圖 51算法狀態機圖描述實例算法狀態機圖描述實例n算法狀態機圖的反饋通道描述算法狀態機圖的反饋通道描述u算法狀態機圖中可以有內部的反饋通道，內部反饋算法狀態機圖中可以有內部的反饋通道，內部反饋通道的箭頭應指向某一個狀態的輸入線通道的箭頭應指向某一個狀態的輸入線 52算法狀態機圖描述實例算法狀態機圖描述實例n算法狀態機圖的串并結構變換算法狀態機圖的串并結構變換u速度與面積的轉換速度與面積的轉

24、換53算法流程圖至狀態圖的變換方法算法流程圖至狀態圖的變換方法 n算法流程圖至狀態圖的變換主要有以下幾個步算法流程圖至狀態圖的變換主要有以下幾個步驟：驟：u(a)系統狀態分配：系統狀態分配：先對算法流程圖進行抽象，對其工作過程進行劃分。每先對算法流程圖進行抽象，對其工作過程進行劃分。每個相對獨立的操作狀態就可以定義為一個狀態個相對獨立的操作狀態就可以定義為一個狀態u(b)確定各狀態的輸出確定各狀態的輸出u(c)確定輸入信號及狀態轉移條件確定輸入信號及狀態轉移條件54狀態圖至算法狀態機圖的變換方法狀態圖至算法狀態機圖的變換方法 n通常將狀態圖變換成算法狀態機圖通常將狀態圖變換成算法狀態機圖(AS

25、M)需經需經過以下幾個步驟：過以下幾個步驟：u(a)對現有狀態進行編碼對現有狀態進行編碼u(b)各輸出信號的確定各輸出信號的確定u(c)按狀態編碼順序畫出算法狀態機圖按狀態編碼順序畫出算法狀態機圖n示例：示例：P147/P14855C語言流程圖至算法狀態機圖的變換語言流程圖至算法狀態機圖的變換 n(1)順序結構：順序結構：u順序結構部分可以歸結在一個狀態中，因為一般順順序結構部分可以歸結在一個狀態中，因為一般順序操作中不會改變系統的工作狀態。序操作中不會改變系統的工作狀態。n(2)分支結構：分支結構：u分支程序的條件量是系統狀態的輸入，不同條件將分支程序的條件量是系統狀態的輸入，不同條件將轉向不同的狀態，從而發生狀態轉移。轉向不同的狀態，從而發生狀態轉移。n(3)循環結構：循環結構：u循環程序以循環變量為條件量，該條件量通常是一循環程序以循環變量為條件量，該條件量通常是一個計數值。當計數值達到指定值時，條件滿足，狀個計數值。當計數值達到指定值時，條件滿足，狀態發生轉移，這一點與分支結構相類似。態發生轉移，這一點與分支結構相類似。 56備有記憶文件的狀態圖備有記憶文件的狀態圖MDS 57MDS圖的表達符號圖的表達符號 n用寫有標識符的圓圈來表示系統的狀態，并以用寫有標識符的圓圈來表示系統的狀態，并以標識符表示該狀態標識符表示該狀態n狀態之間的箭頭連接表示狀態的轉換。狀