2 数字系统设计的一般方法

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1、2 数字系统设计的一般方法 导读：就爱阅读网友为您分享以下“2 数字系统设计的一般方法”资讯，希望对您有所帮助，感谢您对的支持!2 数字系统设计一般方法2.1 数字系统的组成和设计步骤 2.2 用流程图与MDS图设计数字 系统 2.3 控制子系统的微程序设计2.1 数字系统的组成和设计步骤2.1.1 数字系统的基本组成 2.1.2 数字系统的设计方法及设计 步骤 2.1.3 数字系统设计应考虑的主要 因素2.1.1 数字系统的基本组成（1） 什么是数字系统 数字系统是一个能完成一系列复杂操作的逻辑单 元。 （2）数字系统的组成 1）组成 数字系统可分为受控 器和控制器两大部分。 受控器数据子系

2、 统，信息处理子系统。 控制器控制子系 统。2）数据子系统和控制子系统 数据子系统：它完成数据的采集、存储、运算处理 和传输。主要由存储器、运算器、数据选择器等组成； 控制子系统：是一 个时序系统，必须有记 忆力。它由组合逻辑电 路和触发器组成。它与 数据子系统共用一个时 钟。其输入是外部控制 信号和数据子系统来的 条件信号，按序地进行 状态转换，状态输出作 为控制信号去控制数据 子系统的操作顺序。3）数据子系统和控制子系统两者关系：数据子系统接 收控制子系统的控制 信号，数据子系统与 外界进行数据交换、 数据的存取、运算等 操作均是在控制子系 统发出控制信号下进 行的。 数据子系统将 自己的

3、操作进程作为 条件信号输出给控制 子系统。（3）数字系统的描述法 1）系统模型描述法 用逻辑图、状态图、流程图等来描述系统 的方法为系统模型描述法。在数字电子技术中，已学会用逻辑表达式、真 值表、卡诺图、状态图等来描述并设计数字电路。2）系统硬件描述语言法 用HDL（硬件描述语言）描述系统的方 法为系统硬件描述语言法。用于复杂系统。2.1.2 数字系统的设计方法及设计步骤（1）TDD设计方法 将数字系统逻辑上分为分为控制子系统和数据 子系统两大部分，采用MDS图或硬件描述语言 来描述控制子系统和数据子系统的工作过程。 （2）设计步骤 明确设计要求； 确定系统方案； 受控器的设计； 控制器的设计

4、； 硬件实现。2.2 用流程图与MDS图 设计数字系统2.2.1 明确设计要求 2.2.2 确定系统方案 2.2.3 受控器部分硬件设计 2.2.4 MDS图 2.2.5 控制器的硬件实现2.2.1 明确设计要求明确设计要求过程：把设计任务明确 地归纳成若干条无二义的设计要求。例2.2-1：设计一个十字路口交通灯控制系统。问题：十字路口车辆行使规则如何？道路有多宽，允许几车 道行使？控制灯有几种？通行和禁止时间各多少，是否显示 ？有无行人穿越指示？有无连网要求？道路有六车道，只有汽车没有自行车行使。车辆直行时不 允许车辆左拐行使，但右拐可以同时进行，必须设有专门的左拐 时间。 根据通行规则，车

5、辆控制灯有：直行（）、左拐（） 和右拐（）三个绿色指示灯及一个红色指示灯。红色指示灯亮 表示全部禁止。车辆通行时间为40秒，各方向有倒计时显示器。 行人过马路需提出申请（车多人少），只有车辆 直行时才响应行人请求，行人在请求响应后方可穿越， 穿越时间为60秒。 警察有权可以随时指定系统停在某个状态。 暂不考虑连网要求。框图2.2.2 确定系统方案根据系统设计要求，将系统分为控制器和受 控器两大部分，画出简单流程图，再将简单流 程图逐步细化为详细流程图。 流程图符号：与软件设计流程图符号类似， 方框表示系统操作（工作块），菱形表示判断 并产生分支，用上面有两条横杠的方框表示条 件操作（条件块）。

6、例2.2-2：确定十字路口交通灯控制系统的系统方案。通行方式有四种: (1) 南北向车辆直行和各路右拐; (2) 南北向车辆左拐和各路右拐; (3) 东西向车辆直行和各路右拐; (4) 东西向车辆左拐和各路右拐; 四种方式在控制器控制下，顺序转换，每个状态持续40秒。行人请求及警察控制可以是上述四个状态的条件分支，由控 制器接受请求并判断是否响应。 交通灯控制系统总体方框图及简单流程图受控器详图简图这个简单流程图还不是一 个可实施的方案，因为： 满足什么条件响应行 人请求？响应时车辆通行情 况如何？ 警察控制如何响应？ 每个状态需要输出哪 些信号？哪些是同步的哪些 是异步的？为此作如下规定：

7、在东西（南北）向车辆直行时，在该状态前20秒，可 以响应东西（南北）向穿越的行人，但不响应南北（东西） 向穿越请求。如果该状态持续时间超过20秒，就不再响应行 人请求。每个状态最多只响应一次行人请求； 车辆左拐时，不响应行人请求； 响应行人请求时，各路右拐禁止。各路口的车辆行使 时间指示40秒定时器不显示，转为显示行人穿越时间指示 60秒定时器； 响应行人穿越请求后，转到相应的下一个状态； 对警察的控制请求立即响应。在警察控制状态时，各 路口时间指示器均不显示。响应结束后转到初试状态。 考虑到让进入十字路口的车辆安全通过，现态向次态 转移和响应警察控制请求时，有一个两秒钟的各路禁止，即 各路口

8、只有红灯亮。得如下详细流程图:MDS图2.2.3 受控器部分硬件设计任务：选择器件，画出电路图。标明 所需要的控制信号及相应的输出信号， 完成受控部分硬件设计。例2.2-3：十字路口交通灯控制系统的受控 器设计该受控器共有三部分： 秒脉冲发生器，输出秒脉冲； 十字路口的40秒减法定时器及显示器；行 人横道线处的60秒减法定时器及显示器； 各路口指示灯及行人穿越指示灯。 电路图如下：信号表达式框图具体构成说明： CD4060及32768Hz晶体作为秒脉冲发生器； 74LS190（BCD同步加/减计数器）作为40秒、60秒定时 器，用CD4511作译码驱动器，共阴LED显示； 响应行人请求后，车辆

9、通行时间改由行人穿越时间60秒定 时器控制，74LS157（数据选择器）选择，选择信号为G； 20秒指示信号输出T20，来自比较器74LS85； 受控器送给控制器的条件信号有：40秒指示T=40；60秒 指示T=60。来自74LS190借位输出； 受控器所需的控制信号有：40秒定时器（减法计数器）的 时钟控制信号CP1和置数信号LD1；60秒定时器（减法计数器） 的时钟控制信号CP2和置数信号LD2；40秒定时显示的消隐信号 BI1和60秒定时显示的消隐信号BI2；数据选择器的选择信号G； 受控器所需的控制信号还有： C1南北向直行灯控制； C2 南北向左拐灯控制； C3东西向直行灯控制； C

10、4东西向左拐灯控 制；C5各路右拐灯控制；C6南北向行人通行灯控制；C7东西向 行人通行灯控制； C8南北向行人等待灯控制； C9东西向行人等 待灯控制；C10各路口禁止红灯控制；2.2.4 MDS图根据系统流程图或算法及设计好 的数据子系统设计控制子系统。（1）MDS图的 定义 MDS图：助 记符状态图。类 似过去数字电路 中的状态图，但 它用符号和表达 式来表示状态的 转换条件和输出 。它比状态图更 具有一般性。MDS图的规定： 用黑体字母表示状态，如Si表示状态Si ； 用带箭头的定向线表示状态转移； 状态转移条件写在定向线旁。条件可以是一个简 单的变量，也可以是一个复杂的表达式。如：E

11、 = ( A = 1)(CNT = 8)条件输出表示为状态与条件的乘积，也写在状态 圆圈外；如Z= Si E表示进入状态Si且条件E满足时 输出Z有效，条件E可以是一个简单的变量也可以是一个 复杂的表达式；（2）MDS图与流程图系统的MDS图可以由流程图导出。根据MDS图的状态转换过 程，可设计出系统控制器。系统详细流程图导出MDS图的原则：流程图中的工作块对应了MDS图中的一个状 态；如果工作块中的操作不能在一个CP周期同时进 行，在MDS图中必须将其分成几个状态框，这些状 态之间实现无条件转移； 为实现工作块内的操作所需要的控制信号和 工作块的输出写在MDS图的状态圈旁； 流程图中的判别块

12、对应了MDS图的分支，把 判别条件写在MDS图的状态转移线旁； 流程图中条件块对应了MDS图的条件输出。 应该注意条件块不是MDS图中的状态，把条件输出 和条件操作所需的控制信号写在MDS图的相应状态 圈旁，并注上此条件输出的表达式。例2.2-4：交通灯控制系统的MDS图。 根据前面用流程图得出MDS图的原则，交通 灯控制系统的MDS图如下： 控制器所需控制信号有：MS：南北向行人 请求；ME：东西向行人请求；P：警察控制； 受控器送给控制器的条件信号有：40秒指 示T=40；60秒指示T=60。来自74LS190借位输出 ；状态持续超过20秒信号T20。 受控器所需的控制信号：C1南北向直行

13、灯 控制；C2南北向左拐灯控制；C3东西向直行灯控 制；C4东西向左拐灯控制；C5各路右拐灯控制； C6南北向行人通行灯控制；C7东西向行人通行灯 控制；C8南北向行人等待灯控制；C9东西向行人 等待灯控制；C10各路口禁止红灯控制流程图2.2.5 控制器的硬件实现根据ASM图或MDS图，设计控制器。例2.2-5：某数字系统的 MDS图如图2-30所示，R、A 为输入信号，Ci(i=03)为输 出信号，设计它的控制器电 路。一D对应一状态电路用D触发器作为状态寄存器，状态编码方式有两种：（ a）状态编码方式 五个状态，用三个D触发器，采用二进制编码方式。列出 状态转换表：画出激励函数的卡诺图写

14、出函数表达式D 2 = AQ 2 + Q1Q 0 D1 = S 0 RA + Q1 Q0 D0 = S 0 R A + Q1 Q0C0 = S 0 C1 = S1 + S 2 C2 = S 2 + S 3 + S 4 C3 = S3画出控制器电原理图（b）一个D触发器对应一个状态方式当采用 一个D触发 器对应一个 状态时，硬 件电路与 MDS图相 对应，如图 2.27。采用上述方法，图2。24所示的MDS图可用图2.28所示的硬 件电路来实现。 MDS图例2.2-6：十字路口交通灯控制系统控制器设计。 其MDS图共有7个状态，车辆通行是四个状态S0-S3； 行人请求为两个状态S4、S5； 警察

15、控制状态是上述其中的一个。 分步设计：第一步先设计S0-S5中转换；第二步根据异步 信号P使状态在S0-S5中强行切换；第三步考虑各状态转换时 的各路口2秒禁止；第四步考虑最多响应一次行人请求。 第一步： 用74LS192（十进制同步加/减计数器）作为状态计数器。 按次态编码尽量为现态加一的原则进行状态编码，如表2-4。根据MDS图和状态编码表可填写74LS192操作表2-5和 置数表2.6 。根据操作表和置数表可得74LS192的功能控制端LD、CLR、 CPU的函数表达式及各数据端表达式：CPU = (T = 40) CR = S 3 (T = 40) LD = S 0 M S T20 + S 2 M ET20 + S 4 (T = 60) + S5 (T = 60)D2 = S0 + S1 D1 = S5