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1、数字系统设计概述数字系统设计概述ASMASM图、图、MDSMDS图以及图以及ASMASM图至图至MDSMDS图的转换图的转换数字密码引爆器系统设计数字密码引爆器系统设计数字系统设计实例数字系统设计实例小结小结一、一、数字系统基本组成数字系统基本组成第一节第一节 数字系统设计概述数字系统设计概述控制器控制器 电路电路电脑电脑受控受控电路电路计数运算计数运算逻辑运算逻辑运算应答信号应答信号控制信号控制信号系统核心（最小）系统核心（最小）输入输入输出输出接口接口数据输出数据输出存存储储器器数据输入数据输入注：注：规模庞大并不意味是一个系统，如存储器，只是一个功能部件。也许规模庞大并不意味是一个系统，
2、如存储器，只是一个功能部件。也许 由几片由几片MSI构成的电路，包括控制器和受控器就是数字系统。构成的电路，包括控制器和受控器就是数字系统。二、传统数字系统设计方法二、传统数字系统设计方法试凑法：由真值表、卡诺图、布尔方程、试凑法：由真值表、卡诺图、布尔方程、状态表和状态图描述电路的功能。状态表和状态图描述电路的功能。试凑法：试凑法：凭借设计者的经验凭借设计者的经验试凑法：不合适试凑法：不合适寻找更合适的设计方法寻找更合适的设计方法可以可以第一节第一节 数字系统设计概述数字系统设计概述三、现代数字系统设计方法三、现代数字系统设计方法从上至下（从上至下（from top to down)：优点：
3、优点：第一节第一节 数字系统设计概述数字系统设计概述 设计者从整个系统逻辑出发，进行最上层的设计者从整个系统逻辑出发，进行最上层的系统设计系统设计，而后按一定的原则将全局系统分成若干而后按一定的原则将全局系统分成若干子系统子系统，逐级向下，逐级向下，再将每个子系统分为若干个再将每个子系统分为若干个功能模块功能模块、子模块子模块、基本模块基本模块。适合大规模数字系统设计，使得设计步骤之间相互联适合大规模数字系统设计，使得设计步骤之间相互联系越来越紧密、协调，以求数字系统获得良好的性能和正系越来越紧密、协调，以求数字系统获得良好的性能和正确的结果。确的结果。BCA上层模块上层模块A分解分解分解分解
4、E下层模块下层模块CB中间层次模块中间层次模块EC&上上下下DB&D&=1&=1&=1&=1四、现代数字系统设计流程四、现代数字系统设计流程计算机辅助分析与设计计算机辅助分析与设计（CAD）早期电子设计自动化早期电子设计自动化（EDA）近期近期EDA工具工具 从上层系统级开始，从上层系统级开始，对电路功能描述，从上对电路功能描述，从上至下地跨越各个层次完至下地跨越各个层次完成整个设计。成整个设计。第一节第一节 数字系统设计概述数字系统设计概述设计者设计者系统划分系统划分芯片芯片功能验证功能验证逻辑验证逻辑验证 近几年来，近几年来，划分、综合、验划分、综合、验证都由证都由EDA完成。完成。EDA
5、软件还在优软件还在优化、发展，使从化、发展，使从上至下的设计方上至下的设计方法得到广泛的应法得到广泛的应用。用。概念设计概念设计系统设计和描述系统设计和描述子系统功能描述子系统功能描述综合综合逻辑描述逻辑描述系统验证系统验证第二节第二节 ASMASM图、图、MDSMDS图图以及以及ASMASM图至图至MDSMDS图的转换图的转换一、一、ASM图图 ASM(Algorithmic State Machine)算法流程图算法流程图，建立建立ASM图是数字系统的关键步骤图是数字系统的关键步骤。1.ASM图符号图符号 ASM图表面上和软件流程图相似图表面上和软件流程图相似,但但ASM图有时间图有时间序
6、列序列,即每隔规定的数量脉冲转到下一状态。即每隔规定的数量脉冲转到下一状态。（1）状态框）状态框名称名称101IN XAC 0Sr=1000（P）001（Q）010（R）每隔规定的数量脉每隔规定的数量脉冲转到下一状态。冲转到下一状态。当控制算法存在分枝时，次态不仅决定于现态，还当控制算法存在分枝时，次态不仅决定于现态，还与现态的外输入有关。表示条件分枝的符号用菱形表示。与现态的外输入有关。表示条件分枝的符号用菱形表示。（2）条件分枝框（判断框）条件分枝框（判断框）X10(A)(B)(C)X10（3）条件输出框）条件输出框(P)(Q)(R)X10Z1Z2 上述三种符号构成了上述三种符号构成了AS
7、M图所需要的基本符号。图所需要的基本符号。第二节第二节 ASMASM图、图、MDSMDS图图以及以及ASMASM图至图至MDSMDS图的转换图的转换2.ASM图的硬件实现。图的硬件实现。例：已知例：已知ASM图如图所示，用图如图所示，用PLA阵列和一定数量阵列和一定数量 的的D触发器实现。触发器实现。(P)(Q)(R)X10Z1Z2001011（1）ASM图有三个状态，图有三个状态，故有两个状态变量故有两个状态变量Q2Q1。（2）一个外输入）一个外输入X、两个输出两个输出 Z1和和Z2，两个两个D触发器。触发器。（3）下面分析状态转换表。）下面分析状态转换表。现态现态次态次态输出输出Q2 Q1
8、 XQ2n+1Q1n+1 Z1 Z20 1 0 0 10 0 01 0 1 1 输出方程：输出方程：XQQXPZQQPZ122121=)()(10100001001010010000驱动方程：驱动方程：XQQDQQQDQ1211n21221n2=+由此可得由此可得PLA硬件逻辑图硬件逻辑图Q11DQ21DCPXXZ1Z2PLA实现图实现图C1C1 Si二、二、MDS图图1.MDS图符号图符号表示状态图表示状态图 只要时钟只要时钟CP的有效沿到来的有效沿到来,状态状态Si在条件在条件E下转换到状态下转换到状态SjE可以是积项可以是积项,布尔表达式等。布尔表达式等。只要时钟只要时钟CP的有效沿到来
9、的有效沿到来,表示状态表示状态Si无条件转换到无条件转换到状态状态Sj。MDS图与状态图十分相似，且扩展了状态图的功能，又简练了图与状态图十分相似，且扩展了状态图的功能，又简练了状态图。状态图。MDS图表现设计过程时，方便清晰，具有较大的灵活性。图表现设计过程时，方便清晰，具有较大的灵活性。Si SjE表示进入状态表示进入状态Si时，输出时，输出Z变成有效变成有效表示进入状态表示进入状态Si时，输出时，输出Z变成无效。变成无效。表示进入状态表示进入状态Si时，输出时，输出Z有效；退出时，输出有效；退出时，输出Z无效。无效。Z SiZ SiZ SiZ=SiE Si 如果条件如果条件E满足，进入状
10、态满足，进入状态Si时，输出时，输出Z有效；退出时，输出有效；退出时，输出Z无效。无效。Si SjZ2 AZ12.状态图到状态图到MDS图图 A/01 C/00 B/11 这是一个穆尔型电路，三个状态这是一个穆尔型电路，三个状态A、B、C和输出和输出Z1Z2依次为依次为01、11、00。说明：。说明：A态到态到B态时，态时，Z1由由0变变1，Z1有效；有效；B态到态到C态时，态时，Z1由由1变变0，Z1无效。无效。C BZ1Z2同理：同理：C态到态到A态时，态时，Z2由由0变变1，Z2有效；有效；B态到态到C态时，态时，Z2由由1变变0，Z2无效。无效。Z1=0Z1=1Z1=0Z1=1Z1 C
11、 BZ2Z1Z2X1X2X1X3 AX1+X3X2X1 加了三个输入加了三个输入X1、X2、X3的情况。的情况。现在再考虑有条件输出的情况：现在再考虑有条件输出的情况：到到MDS图图Z1=AX C BXX A C B1/10/0 A 有三个状态有三个状态A、B、C，当当输入为输入为1时，输出为时，输出为1，AB；当输入为当输入为0时，输出为时，输出为0，AC（输入输入/输出）输出）。YESNO三、三、ASM图至图至MDS图的转换图的转换转换原则：转换原则：1.ASM图的图的状态框状态框对应对应 MDS图中的图中的Si。2.ASM图的图的判别框判别框构成构成 MDS图的图的分支分支。3.控制器的
12、输出是为实现控制器的输出是为实现状态框的操作而发出的信状态框的操作而发出的信息息,对应对应 MDS图中状态圈图中状态圈外侧的输出。外侧的输出。START?(A)计数器复位计数器复位(B)执行执行 A BSTARTCROPRASM图图 MDS图图START再举一例再举一例 X?Z?W?(A)NOYESYESNOYESNO(D)(C)(B)A C B DXWZXXW+XZ4.ASM图的条件输出与图的条件输出与MDS图条件输出相对应。图条件输出相对应。到MDS图RUN =ASTART A B CSTARTSTART(A)YESNO(B)RUN(C)START?第三节第三节 数字密码引爆器系统设计数字
13、密码引爆器系统设计 下面讨论一个数字密码引爆系统，用它将从上下面讨论一个数字密码引爆系统，用它将从上至下的设计概念融会贯通。至下的设计概念融会贯通。设计步骤：设计步骤：1.系统级分析系统级分析,确定初步方案确定初步方案;2.将设计细分将设计细分,进行模块划分进行模块划分;3.VHDL综合。综合。一、数字密码引爆器顶层设计一、数字密码引爆器顶层设计 1.顶层方案设计顶层方案设计 系统密码采用三个十进制数字系统密码采用三个十进制数字,当三个输入正确，就可引爆当三个输入正确，就可引爆;当输入不正确或密码位数不对时引爆，产生错误，系统报警。当输入不正确或密码位数不对时引爆，产生错误，系统报警。引爆系统
14、引爆系统WAIT_TSETUPFIREREADYA1A0A3A2A4A5A7A6A8OSCCA9电路输入：电路输入：（1）开始输入数字密码前，需）开始输入数字密码前，需设置一个设置一个READY键，表示电路系键，表示电路系统准备就绪，可以输入密码。统准备就绪，可以输入密码。（2）当引爆事件发生后，应重新）当引爆事件发生后，应重新恢复到等待状态，需设置一个恢复到等待状态，需设置一个WAIT_T键。键。（3）若没有正确使用密码，产生报）若没有正确使用密码，产生报警信号，这时再按警信号，这时再按READY和和WAIT_T键不起作用，必须内部保安键不起作用，必须内部保安人员重新设置到等待状态，需新设人
15、员重新设置到等待状态，需新设置一个置一个SETUP键。键。（4）密码正确输入以后，设置一个引爆按键）密码正确输入以后，设置一个引爆按键FIRE。（5）十个数字按键十个数字按键A0A9作为密码输入，密码采用三位且设作为密码输入，密码采用三位且设置在内部，置在内部，OSCC为为1MHz输入。输入。第三节第三节 数字密码引爆器系统设计数字密码引爆器系统设计引爆系统引爆系统WAIT_TSETUPFIREREADYA0A1A3A2A4A5A7A6A8OSCCA9AGUccLTRTLB第三节第三节 数字密码引爆器系统设计数字密码引爆器系统设计电路输出：电路输出：（1）当密码正确输入并点）当密码正确输入并点
16、火后，输出一绿灯信号火后，输出一绿灯信号LT。（2）当密码操作有误，输）当密码操作有误，输出一红灯信号，并伴随报出一红灯信号，并伴随报警装置警装置LB鸣叫。鸣叫。注：注：在按在按WAIT_T后进入后进入等待状态，等待状态，LT、RT和和LB皆不工作。皆不工作。（3）设置一七段显示数码管显示输入的密码数据。）设置一七段显示数码管显示输入的密码数据。WAIT_T引爆系统引爆系统WAIT_TSETUPFIREREADYA0A1A3A2A4A5A7A6A8OSCCA9AGUccLTRTLB第三节第三节 数字密码引爆器系统设计数字密码引爆器系统设计引爆过程如下：引爆过程如下：（1）按）按READY键，启动键，启动引爆程序引爆程序系统处于准备系统处于准备状态。状态。（2）依次键入）依次键入三个十进制三个十进制数字。数字。WAIT_TREADYA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9（3）若按上述操作正确后，）若按上述操作正确后，启动启动FIRE，LT绿灯亮。绿灯亮。按错密码按上述操作时，报按错密码按上述操作时，报警喇叭警喇叭LB响，响，RT红灯亮。红灯亮。（4）引爆正确后，需按）引爆正确后，需按W
