第9章数字系统设计基础ppt课件.ppt

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1、第9章数字系统设计基础9.1数字系统概述9.2十字路口交通灯控制系统设计9.38位模型计算机设计9.1数字系统概述9.1.1数字系统的基本概念采用数字电子技术实现数字信息处理、传输、控制的数字逻辑单元集合称为数字系统。数字系统一般由数据子系统和控制子系统构成。图9-1数字系统的结构数据子系统（也称数据处理器）由寄存器和组合电路构成，寄存器用于暂存信息，组合电路实现对数据的加工和处理。在一个操作步骤中，控制子系统发出命令信号给数据子系统，数据子系统完成命令信号所规定的操作。在下一个操作步骤中，控制子系统发出另外一组命令信号，命令数据子系

2、统完成相应的操作。通过多步操作（也称操作序列），数字系统完成一个操作任务，控制子系统接收数据子系统的状态信息及外部输入来选择下一个操作步骤。控制子系统（也称控制器）决定数据子系统的操作和操作序列。控制子系统决定操作步骤，它根据外部输入控制信号和数据子系统的状态信号来确定下一个操作步骤。控制子系统控制数字系统的整个操作进程。控制器是数字系统的核心，有无控制器是区分数字系统和逻辑功能部件的重要标志。凡是有控制器、且能按照一定时序进行操作的，不论规模大小，均称为数字系统。凡是没有控制器，不能按照一定时序操作，不论规模有多大，均不能作为一个独

3、立的数字系统，只能作为一个完成某一特定任务的逻辑功能部件；例如，加法器、译码器、寄存器、存储器等。9.1.2数字系统设计的一般过程数字系统与逻辑功能部件的设计方法是不同的。逻辑功能部件采用“自底向上”的设计方法，先按照任务要求建立真值表或状态表，给出逻辑功能描述，再进行逻辑函数化简，最后完成逻辑电路设计。数字系统则采用“自顶向下”的设计方法，这里的“顶”是指系统的功能，“向下”是指将系统功能由大到小进行分解，直至可以用基本逻辑功能部件来实现。“自顶向下”的设计方法图9-2自顶向下的设计方法1.明确系统功能明确系统功能是对要设计的系统的

4、任务、要求、原理以及使用环境等进行充分调研，进而明确设计目标、确定系统功能。2.确定总体方案数字系统总体方案将直接影响整个数字系统的质量与性能，总体方案需要综合考虑以下几个因素：系统功能要求、系统使用要求和系统性能价格比，考虑不同的侧重点，可以得出不同的设计方案。同一功能的系统可以有多种工作原理和实现方法。应根据实际问题以及工作经验对各个方案进行比较，从中选出最优方案。3.确定系统结构系统方案确定以后，再从结构上对系统进行逻辑划分，确定系统的结构框图。具体方法是：根据数据子系统和控制子系统各自功能特点，把系统从逻辑上划分为数据子系统和

5、控制子系统两部分。逻辑划分的依据是，怎样更有利于实现系统的工作原理，就怎样进行逻辑划分。逻辑划分以后，就可以画出系统的粗略结构框图。对数据子系统进行进一步结构分解，将其分解为多个功能模块，在将各个功能模块分解为更小的模块，直至可用逻辑功能模块如寄存器、计数器、加法器、比较器等实现为止。最后画出由基本功能模块组成的数据子系统结构框图，数据子系统中所需的各种控制信号将由控制子系统产生。4.控制算法设计控制算法是建立在给定的数据子系统的基础上的，它直接地反映了数字系统中控制子系统对数据子系统的控制关系和控制过程。控制算法设计的目的是为了获得

6、控制操作序列和操作信号，为设计控制子系统提供基础。5.系统仿真实现上述步骤完成之后，可以得到一个抽象的数字系统。经过细分后，数据子系统是逻辑功能部件的逻辑符号的集合，这些逻辑功能部件功能可以运用逻辑电路的设计方法进行设计。控制子系统经过控制算法设计后得到了控制操作序列和操作信号。数字系统中的控制子系统设计的状态信号、外部输入信号、控制信号比较多，因此，控制子系统的具体电路设计是数字系统设计的重点之一。在完成两个子系统设计后，可以用EDA（ElectronicDesignAutomation）软件对所设计的系统进行仿真，验证数字系统设计

7、的正确性。6.电路实现通过EDA软件仿真，如果设计的数字系统满足总体要求，就可以用芯片实现数字系统。实现数字系统应“自底向上”进行。首先实现各个逻辑功能电路，调试正确后，再将它们互连成子系统，最后进行数字系统总体调试。9.2十字路口交通灯控制系统设计9.2.1系统功能与使用要求十字路口交通灯控制系统要完成对十字路口交通信号灯的控制，系统功能与使用要求如下：十字路口由一条东西方向的主干道和南北方向的支干道构成。主干道和支干道均有红、绿、黄三种信号灯。通常保持主干道绿灯、支干道红灯。只有当支干道有车时，才转为主干道红灯，支干道绿灯。绿灯转

8、红灯过程中，先由绿灯转为黄灯，5秒钟后再由黄灯转为红灯；同时对方才由红灯转为绿灯。当两个方向同时有车时，红、绿灯应每隔30秒变换一次，应扣除绿灯转红灯过程中有5秒黄灯过渡，绿灯实际只亮25秒。若仅一个方向有车时，处理方法