微操作以及寄存器传送语言

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1、5.1 微操作和寄存器传送语言 5.2 用RTL表示数字系统 5.3 复杂数字系统和RTL 5.4 实例：VHDLVHSIC硬件描述语言 第五章 寄存器传送语言 同济大学 软件学院 微操作：大部分时序数字系统的基础。 是更简单的行为。 数据从一个寄存器、存储器单元或者I/O设 备到另一个的传送 修改存储的值 执行算术或逻辑功能 修改已存储的值 确定时序数字系统：确定正确的微操作传送及其条件。 （这些条件保证微操作按正确的顺序执行） 设计时序数字系统： 首先用微操作表述系统的行为 设计硬件来匹配这些表述 5.1 微操作和寄存器传送语言 一、微操作的格式 考虑有两个1位寄存器X和Y的一个数字系统。

2、 1.拷贝寄存器Y的内容到寄存器X中的微操作 XY (有时也可以表示为YX) 2.两种实现 由直接连接实现 通过总线连接实现 X 二、传送发生的条件 1. 假定传送应发生在输入控制为高时， 则传送过程可以写为 IF THEN XY 2. 表示微操作和它们发生的条件： 条件：微操作 当所有冒号左边的条件满足时，执行微操作 （可以是多个）规定的数据传送。 3. 上面的传送可以写为 ：XY 4.具有控制信号的数据传送：XY的实现 (a) 用直接通路 (b) 用总线 X 三、提高系统性能的一种方法 同时执行两个或多个微操作。 1. 如果某系统在= 1时执行XY和YZ的传 送，则这种情况可以表示成 :

3、XY，YZ (: YZ，XY) 2同时拷贝相同的数据到多个目的地。 考虑 ： XY，ZY 3数字系统不能同时往同一寄存器中写入两个不同的值。 例如： 表示 : XY，XZ 无效 四、传送常量的有效条件和微操作 : X0 : X1 实现这两个传送的三种不同方法： 通过两个传送通路装载数据来设置X的值 (用一个多路选择器来选择输入的数据) 装载数据与第一个完全相同，但它的数据直接由 信号产生。(用作为数据输入) 为简化硬件可使用寄存器的清除输入功能 (用CLR信号) 问题：当和同时为1时，怎么办？ 两种解决方法： 产生和的硬件能保证它们决不会被同时置为1 修改条件使它们互斥 : X0 : X0 :

4、 X0 : X1 : X1 : X1 五.寄存器之间的多位数据传送 1. 同样大小寄存器对应位之间传送数据 例如: 当1时，从4位寄存器Y传送数据到4 位寄存器X。 用符号表示： ： XY (a) 用直接连接 (b) 用总线 2. 访问一个寄存器的某一位或位组。 表示每一位：如X3或Y2。 3. 表示位组（用一个域表示） 如：X3、X2和X1可以写成：X(3-1)或X(3:1) : X(3-1)Y(2-0) : X3X2 : X(3-0)X(2-0),X3 （X(2-0,3)或X3X2，X2X1，X1X0，X0X3） 六、执行算术运算、逻辑运算和移位运算的微操作 1一些常用的算术运算和逻辑运算

5、的微操作 操 作 示 例 Add XX + Y Subtract XX Y 或 XX + Y + 1 Increment XX + 1 Decrement XX 1 And XX Y 或 XXY OR XX Y XOR XX Y NOT X/X 或 XX 2移位微操作 线性移位：每一位的值依次向左（或右）移位。 最后1位被丢弃，空位补入0值。 例如： X1011 左移一位：0110 右移一位：0101 循环移位：将在线性移位中被丢弃的位循环回来 替代补入的0值。 例如： X1011 循环左移：0111 循环右移：1101 算术移位：用于带符号数的移位。 算术左移：各位按位左移，最高位向左移出，

6、最低位 产生的空位填“0”。 算术右移：连同符号位一起向右移一位,符号位保持不变。 例如： X1011 算术左移：0110 算术右移：1101 十进制移位：专门用于BCD表示。十进制移位与线性 移位很相似，但它移动1个数字或4位， 而不是移动1位。 例如：X1001 0111 十进制左移：0111 0000 十进制右移：0000 1001 操 作 示 例 线性左移 shl(X) 线性右移 shr(X) 循环左移 cil(X) 循环右移 cir(X) 算术左移 ashl(X) 算术右移 ashr(X) 十进制左移 dshl(X) 十进制右移 dshr(X) 移位操作和它们的表示法 例如：Xshl

7、(X)和shl(X)是等价的。 Yshl(X) 两个寄存器均需指定 七、寄存器与存储器之间的数据传送 例如： M55AC和ACM55 寄存器AC与存储器中55号单元之间的数据传送 更好的方法：把地址存入寄存器中，然后由寄存器提供 存储器的访问地址。 （地址寄存器，标示为AR） AR55 MARAC或者ACMAR（ MAC和ACM） 5.2.1 数字元件表示 一、第一个例子（ D触发器） 1. 用RTL描述 LD：QD D触发器：(a)无清0输入端 (b)有清0输入端 52 用RTL表示数字系统 2. 有一同步清0输入端的D触发器 LD： QD CLR： Q0 当D、LD和CLR都等于1时，系统

8、会失败。 解决方法：改变条件使得两者互斥。 CLRLD： QD LD： QD CLR： Q0 LDCLR： Q0 二、第二个例子（一个没有CLR输入端的JK触发器） 用RTL描述： JK： Q0 JK： Q1 JK ： QQ 三、最后一个例子（一个n位的移位寄存器） Qn-1是最高位，Q0是最低位； 当SHL信号为高时，它将其中的数据左移一位； 输入Sin移进最低位。 移位寄存器： SHL： QQ(n-2:0),Sin 5.2.2 简单系统的表示与实现 例如： 一个有4个1位触发器的系统 用RTL代码表示传送 （假设条件j，o，h和n是互斥的） j: MA o: AY h: RM n: YR

9、, MR 几种不同的方法实现 1用直接连接实现系统的数据通路 (1) 用直接连接实现的该RTL代码的系统的数据通路 (2) 用直接连接实现该RTL代码的系统的完整设计 在合适的时间激励触发器的LD信号来装载数 据，从而完成传送。 当j=1（MA）或n=1(MR) 时，触发器M 装载数据。 在满足单个条件o、h和n时，触发器A、R和Y 装载数据。 j: MA o: AY h: RM n: YR ,MR 2用总线和三态门实现 j: MA o: AY h: RM n: YR ,MR 3. 用总线和多路选择器 实现 j: MA o: AY h: RM n: YR ,MR 5.3.1 模6计数器 目的:

10、 设计一个模6计数器 步骤： 用RTL表示计数器的功能 用数字逻辑实现RTL的代码 模6计数器： 000001010011100101000 (0123450) 53 更复杂数字系统和RTL 假设： 输入端U：控制计数 当U1时，计数器在时钟的上升沿增加它的值。 当U0时，不管时钟的值如何，它都保持当前 值不变。 输出V2V1V0：计数器的值 进位输出：C 状态：S0S1S2S3S4S5S0 （两个另外状态S6和S7） 模6计数器的状态表和状态图 当前状态U下一状态CV2V1V0 S0 0 S0 1 000 S0 1 S1 0 001 S1 0 S1 0 001 S1 1 S2 0 010 S

11、2 0 S2 0 010 S2 1 S3 0 011 S3 0 S3 0 011 S3 1 S4 0 100 S4 0 S4 0 100 S4 1 S5 0 101 S5 0 S5 0 101 S5 1 S0 1 000 S6 X S0 1 111 S7 X S0 1 111 110 一、用RTL表示系统 （S0+S1+S2+S3+S4）U： VV+1 , C0 S5U ： V0 ，C1 S6 + S7 ： V0 , C1 在条件（S0+S1+S2+S3+S4+S5）U 下，计数器保持当 前值与C值不变。 可以用两条RTL语句表示： （S5U和S6 + S7触发相同的微操作） （S0+S1+S

12、2+S3+S4）U： VV+1，C0 S5US6S7： V0，C1 二、模6计数器RTL代码的两种实现 用一个寄存器 （S0+S1+S2+S3+S4）U S5US6S7 用一个计数器（简单） U(V 2 + V1 V0 ) V 2 V1 + V 2 V0 U 5.3.2 收费站控制器 1. 两个外部传感器 C显示车辆是否在收费站中 当车在时，C1，否则C0。 显示硬币是否已经投到收费站的收集篮中以及 硬币的面值。 没有硬币投入 I1I000 投入五分硬币 I1I001 投入一角硬币 I1I010 投入25分硬币 I1I011 2. 两个输出指示灯和一个警报灯 当一辆汽车驶入收费站时，红灯（R）亮， 直到司机投入35分硬币，此时红灯熄灭，绿灯 (G)亮，绿灯保持亮着直到汽车离开收费站； 当绿灯灭时，红灯又亮了。 如果没有付足够的通行费，汽车离开，红灯一直 保持亮着且警报（A）响。 警报维持到另一辆汽车驶入收费站；然后停止。