第13章数字系统设计基础ppt课件.ppt

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1、第13章　数字系统设计基础第13章　数字系统设计基础数字系统的设计模型数字系统的设计方法数字系统的设计准则数字系统的设计步骤本章小结数字系统设计举例VHDL状态机13.1　数字系统的设计模型数字系统指的是交互式的、以离散形式表示的，具有存储、传输、信息处理能力的逻辑子系统的集合。用于描述数字系统的模型有多种，各种模型描述数字系统的侧重点不同。图13.1介绍了一种普遍采用的模型。这种模型根据数字系统的定义，将整个系统划分为两个模块或两个子系统：数据处理子系统和控制子系统。图13.1数字系统的设计模型●数据处理子系统主要完成数据的采集、存储、运算和传

2、输。●数据处理子系统主要由存储器、运算器、数据选择器等功能电路组成。●数据处理子系统与外界进行数据交换，在控制子系统(或称控制器)发出的控制信号作用下，数据处理子系统将进行数据的存储和运算等操作。●控制子系统是执行数字系统算法的核心，具有记忆功能，因此控制子系统是时序系统。控制子系统由组合逻辑电路和触发器组成，与数据处理子系统共用时钟。●把数字系统划分为控制子系统和数据处理子系统两个主要部分，使设计者面对的电路规模减小，二者可以分别设计；采用该模型的优点●由于数字系统中控制子系统的逻辑关系比较复杂，将其独立划分出来后，可突出设计重点和分散设计难点

3、；●当数字系统划分为控制子系统和数据处理子系统后，逻辑分工清楚，各自的任务。13.2　数字系统的设计方法数字系统设计有多种方法，如模块设计法、自顶向下设计法和自底向上设计法等。数字系统的设计一般采用自顶向下、由粗到细、逐步求精的方法。一、自底向上的设计方法传统的电子设计流程通常是自底向上的，即首先确定构成系统的最底层的电路模块或元件的结构和功能，然后根据主系统的功能要求，将它们组合成更大的功能块，使它们的结构和功能满足高层系统的要求。以此流程，逐步向上递推，直至完成整个目标系统的设计。系统测试与性能分析完整系统功能模块基本元器件缺点：1、设计过程

4、依赖现有的通用元器件、手工及经验；2、设计后期的仿真和调试3、自下而上思想的局限性4、设计周期长、灵活性差、效率低传统电路设计方法：自下而上（Bottom-Up）的设计方法二、自顶向下的设计方法将数字系统的整体逐步分解为各个子系统和模块，若子系统规模较大，则还需将子系统进一步分解为更小的子系统和模快，层层分解，直至整个系统中各个子系统关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。自上而下设计中可逐层描述，逐层仿真，保证满足系统指标。●自顶向下设计方法是一种模块化设计方法。对设计的描述从上到下逐步由粗略到详细，符合常规的逻辑思维习惯；优点●针对具体的

5、设计，实施自顶向下的设计方法的形式会有所不同，但均需遵循以下两条原则：逐层分解功能和分层次进行设计。同时，应在各个设计层次上，考虑相应的仿真验证问题。●适合多个设计者同时进行设计。随着技术的不断进步，许多设计由一个设计者已无法完成，由多个设计者分工协作完成一项设计的情况越来越多；13.3　数字系统的设计准则进行数字系统设计时，通常需要考虑多方面的条件和要求，如设计的功能和性能要求，元器件的资源分配和设计工具的可实现性，系统的开发费用和成本等。虽然具体设计的条件和要求千差万别，实现的方法也各不相同，但数字系统设计还是具备一些共同的方法和准则的。一、

6、分割准则●自顶向下的设计方法或其他层次化的设计方法，需要对系统功能进行分割，然后用逻辑语言进行描述。分割过程中，若分割过粗，则不易用逻辑语言表达；分割过细，则带来不必要的重复和繁琐。二、系统的可观测性●在系统设计中，应该同时考虑功能检查和性能的测试，即系统观测性的问题。一些有经验的设计者会自觉地在设计系统的同时设计观测电路，即观测器，指示系统内部的工作状态。三、同步和异步电路●异步电路会造成较大延时和逻辑竞争，容易引起系统的不稳定，而同步电路则是按照统一的时钟工作，稳定性好。因此，在设计时应尽可能采用同步电路进行设计，避免使用异步电路。在必须使用

7、异步电路时，应采取措施来避免竞争和增加稳定性。四、最优化设计●由于可编程器件的逻辑资源、连接资源和I/O资源有限，器件的速度和性能也是有限的，用器件设计系统的过程相当于求最优解的过程，因此，需要给定两个约束条件：边界条件和最优化目标。五、系统设计的艺术●一个系统的设计，通常需要经过反复的修改、优化才能达到设计的要求。一个好的设计，应该满足“和谐”的基本特征，对数字系统可以根据以下几点做出判断：设计是否总体上流畅，无拖泥带水的感觉；资源分配、I/O分配是否合理，设计上和性能上是否有瓶颈，系统结构是否协调；是否具有良好的可观测性；是否易于修改和移植；

8、器件的特点是否能得到充分的发挥。●数字系统设计中的第一步是明确系统的任务。在设计任务书中，可用各种方式提出对整个数字系统的逻辑要求，常用