数字逻辑电路 第八章t.ppt

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1、第八章数字系统设计8.1数字系统的基本模型8.1.1信息处理单元的构成8.1.2控制单元CU的构成8.2数字系统设计的描述工具8.2.1方框图8.2.2定时图(时序图、时间关系图)8.2.3逻辑流程图8.2.4ASM图8.2.5设计举例8.3寄存器传送语言8.3.1最简便的寄存器传送语言8.3.2设计举例8.4简易计算机设计8.4.1简易计算机结构8.4.2举例第八章数字系统设计DigitalSystemDesign组合逻辑电路和时序逻辑电路只能完成某些特定的逻辑功能，属功能部件级。电路分析和设计是建立在真

2、值表、卡诺图、逻辑方程式、状态表和状态图的工具基础上，主要依赖于设计者的的熟练技巧和经验，称“凑试法”。若由功能部件级组成一个功能复杂、规模较大的数字系统时，虽然在理论上仍可以把它看成是一个大型时序逻辑电路，仍可以采用凑试法，但实际实现上很难、甚至无法达到完整地描述其逻辑功能。因为这种设计方法：原始、受限制最多、效率与效果均欠佳、局限性大。要用方框图、定时图、逻辑流程图、ASM图、MDS图等系统描述工具。对数字系统进行分析和设计时，通常把系统从逻辑上划分成控制单元CU和信息处理单元两大部分。其中：信息处理单

3、元对信息进行不同的处理和传递，控制单元保证信息处理单元按规定的微操作序列处理数据。控制单元——不断生成和发送控制信号序列，控制信息处理单元不断地执行特定的操作；——接收来自信息处理单元的状态信息，用以选择下一个需执行的操作。——接收外来的控制信息，用以改变正在执行的操作序列。控制单元是区别数字系统与功能部件的标志。8.1数字系统的基本模型输入接口输入信息外部输入的控制信号输入接口外部输出的控制信号输出接口输出信息输出接口控制单元控制信号状态信号控制流数据流数字逻辑系统信息处理单元时钟8.1.1信息处理单元的

4、构成状态信息S控制网络τ1τm•••τ传送脉冲控制信号CQ1τ1内部寄存器组通用寄存器专用寄存器存储器数据通路：总线结构专用线•••x1xk输入信息•••z1zk输出信息组合逻辑网络有P位，表示可执行的P种基本操作，且可并行、或互斥有R位，表示执行时的2R种状态Qmτm状态信息表及操作表举例S的编码位该编码位定义的状态标志S1S1:=(x＞0)S2S2:=(x=0)S3S3:=(x＜0)SrSr:=(Q1=x)∨(Q2=x)控制信号C执行的操作C1:=CLRQ1←0C2:=ADDQ1←Q1+xC3:=SUB

5、Q1←Q1－xCp:=INCQ1←Q1+1••••••（a）状态信息表••••••（b）操作表8.1.2控制单元CU的构成将数字系统执行的复杂任务转化成一个操作和测试序列，称为“算法”。用控制单元产生与操作序列相对应的控制信号序列，每一个控制信号控制信息处理单元执行与算法相关的一个操作。所以，控制单元的基本功能具体上是对指令流和数据流实施时间上和空间上的正确的控制。组合逻辑网络Q状态寄存器算法的现态算法的次态外部输入控制信息外部输出控制信息SCτyY8.1.2控制单元CU的构成控制单元的核心是时序电路，本质

6、上是一个状态寄存器。状态寄存器主要有两个功能——寄存控制单元的现态，生成次态。采用触发器作为状态寄存器的元件。存在着两种不同的控制单元实现方法：硬件逻辑方法——用逻辑电路生成每一个微操作的控制信号；特点：速度高、动一发而动全身。微程序方法——计算机的每一条指令的功能通过执行一个微指令序列(微程序)来实现的。设计好的微程序被固化在只读存储器中，这个存储器称为控制存储器。控制器按微程序的执行步骤逐个发出控制信号。特点：速度低、但设计、修改及扩充容易。显然，采用不同的实现方法，将影响控制单元的组成和结构。在现代计

7、算机控制器中，常常两者混用。数字系统逻辑设计的基本步骤第一步：确定系统的逻辑功能。设计者应对系统仔细分析、消化和理解，逐步明确其逻辑功能，输入、输出信号等内容。第二步：确定系统方案。这是设计工作中最困难、最有创造性的工作，设计者根据设计要求分析推演出信息处理的基本原理和可供选择的结构形式，因为可以采用不同的原理和方法实现某一逻辑功能。为此设计者要进行认真的比较和权衡，从中选取较为满意的方案。第三步：对系统进行逻辑划分。将系统按信息处理单元和控制单元划分为两大部分，列出信息处理单元的说明，并用流程图等方法描述

8、信息处理的算法（即控制单元的逻辑要求）。每个部分应具备基本独立的逻辑功能。逻辑划分和确定系统方案的过程要同时进行、相辅相成。数字系统设计的基本步骤第四步：设计信息处理单元和控制单元。定义要求信息处理单元必须执行的处理和操作，列出操作表；提出实现的算法，确定控制单元必须保存的、或产生的状态及状态之间的转换关系；由系统的控制状态、信息处理单元产生的状态信息和要求生成的控制信号建立控制单元的状态转换表；根据信息处理单元