EDA技术与数字系统设计第3章数字系统的设计

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1、第3章数字系统的设计3.1数字系统设计概述3.2数字系统的描述方法3.3数字系统设计实例3.1数字系统设计概述3.1.1数字系统的组成人们常常把数字系统划分成两个部分——数字处理器和控制器，如图3.1所示。图3.1数字系统控制器：负责规定算法的步骤，在每一个计算步骤给数据处理器发出命令信号，同时接收来自数字处理器的状态变量，确定下一个计算步骤，以确保算法按正确的次序实现。也可以说，控制器决定数字处理器的操作及操作序列。控制器是我们完成数字系统设计的难点和重点所在。数字处理器：由寄存器和组合电路组成。寄存器用于短暂存储信息，组合电路实现对数据的加

2、工和处理。大型的数字系统还可以再分为若干子系统，通过上一级控制器统一协调工作，来实现整个数字系统的复杂功能。3.1.2数字系统的设计方法随着数字集成技术和计算机技术的迅速发展，数字系统设计的理论和方法也在不断地发展和变化。数字系统的实现方法经历了由分立元件、小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)到大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)的过程。传统的数字系统设计方法是利用真值表、卡诺图、状态方程组、状态转换表、状态转换图等描述工具建立系统模型来进行系统设计的。对于一个比较复杂的数字系统，由于它的输入变量数、输出变量数和

3、内部的状态变量数很多，用常规的工具(如真值表、卡诺图、状态方程等)和传统的数字系统设计方法来描述和设计十分困难，有时甚至无法进行，因此必须寻求从系统总体出发来描述和设计的方法。1.自顶向下法自顶向下(toptodown)法是一种从抽象定义到具体的实现，从高层次到低层次逐步求精的分层次、分模块的设计方法，它是数字系统设计中最常用的设计方法之一。该设计方法的具体实施过程是：首先根据系统的总体功能要求，进行系统级设计；然后按照一定的标准将整个系统划分成若干个子系统；接着将各个子系统划分为若干功能模块，针对各模块进行逻辑电路级设计。2.自底向上法自底向

4、上法是根据系统功能要求，从具体的器件、逻辑部件或者相似系统开始，凭借设计者熟练的技巧和丰富的经验通过对其进行相互连接、修改和扩大，构成所要求的系统。3.1.3数字系统设计的一般过程数字系统设计分为系统级设计和逻辑级设计两个阶段。若采用自顶向下的设计方法，则需要先进行系统级设计，再进行逻辑级设计。其一般过程是：在详细了解设计任务的基础上，确定系统的整体功能；用某种方法描述系统功能，设计实现系统功能的算法；根据算法选择电路结构；设计验证(仿真、测试)；最后是设计实现。系统级设计的过程是：(1)在详细了解设计任务的基础上，确定顶层系统的方案。这是设计

5、过程的第一阶段，要求对设计任务做透彻的了解，决定设计任务，确定系统的整体功能、输入信号及输出信号。(2)描述系统功能，设计算法。描述系统功能就是用符号、图形、文字、表达式等形式来正确描述系统应具有的逻辑功能和应达到的技术指标。逻辑级设计的过程是：(1)根据算法选择电路结构。系统算法决定电路结构。虽然不同的算法可以实现相同的系统功能，但是电路结构是不同的；相同的算法也可能对应不同的电路结构。(2)设计验证(仿真、测试)和设计实现。根据设计、生产的条件，选择适当的器件来实现电路，并导出详细的电路图。3.2数字系统的描述方法3.2.1寄存器传输语言数

6、字处理器的任务是接收控制器发出的命令信号，完成信息的加工和存储，并检验信息间的函数关系，产生状态变量。对寄存器所存信息的加工和存储称为寄存器传输操作。寄存器传输语言中定义的寄存器不仅包括暂存信息的寄存器，还应包括移位寄存器、计数器和存储器。计数器是具有加1功能的寄存器，存储器是寄存器的集合。一个单一的触发器可理解为一位寄存器。寄存器传输语言中的语句表达式中，除了表示对寄存器信息进行何种操作之外，还包含有控制函数部分。在寄存器传输语言中，用大写的英文字母表示寄存器。下面介绍其基本语句。1.寄存器间的信息传输操作传送语句：P：A←B该语句表示在控制

7、函数P的控制下，寄存器B的内容传输给寄存器A，箭头“←”表示传输方向，从源寄存器指向目标寄存器。控制函数是一个逻辑函数表达式，包括定时信号和状态信号两部分内容。其中状态信号为任选项，定时信号有时也可以省略。冒号表示控制函数的结束，若在一个时钟周期内须完成多个传送操作时，可用并行传送语句。各并行操作间用逗号分隔。如：P1：A←B，P2：C←D无条件转移语句：T1：A←B，Tl→T5该语句表示在时间变量T1的激励下，执行完A←B后，无条件地转入执行T5。条件转移语句：T1S：A←B，T1→T5：T1→T5该语句表示若S=1，则先执行A←B，再执行T

8、1→T5；若S≠1，则执行下一条语句即S=0，由T1直接转移到执行T5语句。2.算术操作基本的算术操作是加减运算。加法语句：A←A+B减法语句：A←A