第11章 数字系统设计.ppt

1、第11章 数字系统设计,11-1 数字系统设计概述,11-2 ASM图、MDS图以及ASM图至MDS图的转换,11-3数字密码引爆器系统设计,11-4数字系统设计实例,小结,一、数字系统基本组成,第一节 数字系统设计概述,电脑,计数运算 逻辑运算,应答信号,控制信号,系统核心（最小）,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。也许由几片MSI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,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,小规模,规模较大,试凑法： 凭借设计者的经验,试凑法：不合适寻找更合适 的设计方法,可以,三、现代数

2、字系统设计方法,从上至下（from top to down)：,优点：,四、现代数字系统设计流程,计算机辅助分析与设计（CAD）,近期EDA工具,第二节 ASM图、MDS图以及ASM图至MDS图的转换,一、ASM图,1. ASM图符号,（1）状态框,（2）条件分枝框（判断框）,上述三种符号构成了ASM图所需要的基本符号,2. ASM图的硬件实现,（1）ASM图有三个状态，故有两个状态变量Q2Q1,（2）一个外输入X、两个输出Z1和Z2，两个D触发器。,（3）下面分析状态转换表,Q2 Q1 X,Q2 n+1 Q1 n+1,Z1 Z2,输出方程：,驱动方程：,由此可得PLA硬件逻辑图,二、MDS图

3、,MDS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。MDS图表现设计过程时，既方便清晰又具有较大的灵活性。,1. MDS图符号,只要时钟CP的有效沿到来,表示状态Si无条件转换到状态Sj,只要时钟CP的有效沿到来,表示状态Si在条件E下转换到状态Sj E可以是积项, 布尔表达式等。,2. 状态图到MDS图,这是一个莫尔型电路，三个状态A、B、C和 输出Z1Z2依次为01、11、00。这说明： A态到B态时，Z1由0变1，Z1有效； B态到C态时，Z1由1变0，Z1无效。,Z1,加了三个输入X1、X2、X3的 情况。,现在再考虑有条件输出的情况：,有三个状态A、B、C，当 输入为

4、1时，输出为1，AB； 当输入为0时，输出为0，AC（输入/输出）,到MDS图,三、ASM图至MDS图的转换,转换原则：,1.ASM图的状态框对应MDS图中的Si。,2.ASM图的判别框构成MDS图的分支。,START？,3.控制器的输出是为实现状态框的操作而发出的信息, 对应 MDS图中状态圈外侧的输出。,再举一例：,4.ASM图的条件输出与MDS图条件输出相对应。,注：A态返回到A态时， 有一条件输出：当X=0， CP=0时，RUN有效。,到MDS图,第三节 数字密码引爆器系统设计,下面讨论一个数字密码引爆系统，用它将从上至下的设计概念融会贯通。,设计步骤： 1.系统级分析,确定初步方案;

5、 2.将设计细分,进行模块划分; 3.VHDL综合.,一、数字密码引爆器顶层设计1.顶层方案设计系统密码采用三个十进制数字,当三个输入正确，就可引爆； 当输入不正确或密码位数不对时引爆，产生错误，系统报警。,输入电路：,（1）开始输入数字密码前，需设置一个READY键，表示电路系统准备就绪，可以输入密码。,（2）当引爆事件发生后，应重新恢复到等待状态，需设置一个WAIT_T键。,（3）若没有正确使用密码，产生报警信号，这时再按READY和WAIT_T键不起作用，必须内部保安人员重新设置到等待状态，需重新设置一个SETUP键。,（4）密码正确输入以后，设置一个引爆按键FIRE,（5） 十个数字按

6、键A0-A9作为密码输入，密码采用三位且设置在内部，OSCC为1MHz输入。,输出电路：,（1）当密码正确输入并点火后，输出一绿灯信号LT。,（2）当密码操作有误，输出一红灯信号，并伴随报警装置LB鸣叫。,注：在按WAIT_T后进入等待状态，LT、HT和LB皆不工作。,（3）设置一七段显示数码管显示输入的密码数据。,引爆过程如下：,（3）若按上述操作正确后，启动FIRE，LT绿灯亮。,按错密码按上述操作时，报警喇叭LB响，RT红灯亮。,（4）引爆正确后，需按WAIT_T键,使系统进入等待状态。,报警状态下，按READY和WAIT_T均不起作用，按另外的内部键SETUP，使系统进入等待状态。,（

7、5）按错密码可在按FIRE前，按READY键重新启动引爆程序。,二、顶层实体的VHDL程序,第一步：为系统建立系统名。,第二步：描述顶层的接口，包括输入信号、输出信号、信号方向、数据类型等。,LIBRARY ieee; USE ieee.std_logic_1164.all;,ENTITY fire_d ISEND fire_d;,PORT(A0,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,WAIT_T:IN std_logic;FIRE,READY,SETUP,OSCC:IN std_logic;LT,RT,LB,A,B,C,D,E,F,G:OUT std_logic);,三、顶层

8、结构体的设计及VHDL实现,从上至下的精神是将系统划分为几个部分，如控制部分和受控部分，受控部分又靠各种模块来实现。,（1） A0-A9十个数字进入系统编码器变成BCD码，并显示,（2）密码是内部设置为Z1、Z2、Z3，它是串行输出，所以用一4乘3选1电路构成。,（3）密码需和键入的BCD码比较，需设一个4比特比较电路。比较结果送入控制器。,至于READY、FIRE等输入信号，可直接送入控制器，由于按键产生引起电平抖动，最好加入同步消抖电路。,由于同步消抖输入是低电平，又由于按键产生是高电平，所以要加入一个反相器。,4乘3选1的地址由计数器控制，计数器由控制器控制。,当WAIT_T有效时,提供

9、WAIT_L信号封锁RS触发器,使LT、RT和LB无效。,系统使用1MHz信号，经过分频得OSC2为1000Hz， 再分频为4Hz（OSC1）提供给系统。,至此顶层模块划分完成，如上图所示。,VHDL结构描述程序如下：,ARCHITECTURE fire_d_arc OF fire_d IS,COMPONENT se7 ISPORT(A,B,C,D:IN std_logic;E,F,G,H,I,J,K:OUT std_logic); END COMPONENT;,COMPONENT kcom ISPORT(A,B,C,D:IN std_logic;E,F,G,H:IN std_logic;T:

10、OUT std_logic); END COMPONENT;,COMPONENT kbian ISPORT(A,B,C,D, E,F,G,H,I,J :IN std_logic;T,X,Y,Z,W:OUT std_logic); END COMPONENT;,COMPONENT k4mux ISPORT(A,B:IN std_logic;C,D, E,F:OUT std_logic); END COMPONENT;,BEGIN,U29:kbian PORT MAP(A01,A11,A21,A31,A41,A51,A61,A71,A81,A91,DATA_IN1,B1,B2,B3,B4);,U3

11、0:kcom PORT MAP(B1,B2,B3,B4,E1,E2,E3,E4,Dep);,U32:k4mux PORT MAP(CT0,CT1,E1,E2,E3,E4);,U41:se7 PORT MAP(B1,B2,B3,B4,A,B,C,D,E,F,G);,END fire_d_arc;,二、次级电路分析与VHDL实现,1.受控部分电路设计,主要包括编码电路、消抖同步电路、比较电路、 预置码电路、计数器选择电路和输出电路等。,（1）编码电路,编码电路是10线至4线的BCD编码器，又因前级消抖电路输出为高电平，所以A01A91进入编码器为高电平。,输出B4为MSB，B1为LSB。DATA_

12、IN1为当按下按键时，为高电平。,PORT(A,B,C,D,E,F,G,H,I,J:IN std_logic;,T,X,Y,Z,W:OUT std_logic);,(2)消抖同步电路,SETUP、WAIT_T、READY、FIRE和A0-A9都需要一同步消抖电路，如右图所示：,VHDL程序如下：,ENTITY ksy ISEND ksy;,PORT(A,B:IN std_logic;,C:OUT std_logic);,C,SIGNAL T1,T2,T3,T4,T5,T6:std_logic;,BEGIN,U0:knand2 PORT MAP(A,T1,T2);,(3)比较器电路,（B）比较器

13、的另外输入来自预置密码电路的输出E1至E4的四位数据。,（C）结果相等时，输出Dep为1；不等时，输出Dep为0。,2.控制器电路设计,控制器在系统中只占硬件的很小一部分，因此对 控制器的设计不是从如何最简化入手，而是着重 考虑逻辑清楚，便于修改。,（1）建立等待状态：,系统处于引爆后、上电状态时，系统还未进入正常的等待状态。此时系统不接受除WAIT_T外的任何信号,当键入WAIT_T后,系统进入等待状态,输出WAIT_L信号,将引爆指示灯LT和报警指示灯RT以及报警器切断，该状态可用右图（ASM）表示。,（2）准备操作状态：,当WAIT_T按下以后，进入准备操作状态。此时READY信号来到后

14、，为计数器清零RESET_CNT, 转入第三状态。输入密码状态,3.输入密码状态,进入此状态后, EN有效，允许密码和FIRE输入。,收前三个信号时先判断是否为数据信号，若是数据信号，使计数器加1，选出对应的预置码进行比较，若三个数全正确，转到下一状态。,若三个数有一个不正确，转入报警状态。,4.引爆操作状态,若有信号键入，判断是数据信号还是FIRE：,（1）若是FIRE信号，则发出SLT信号，LT亮，密码引爆器被引爆。,（2）若是数据信号，则进入报警状态，此时如果启动READY键，系统发出RESET_P信号返回到输入密码状态。,（3）报警状态有两种情况:,(A)没按FIRE键时,可按READ

15、Y键返回到输入密码操作状态;,(B)按FIRE键后,必须按SETUP键返回到等待操作状态状态。,输入密码,等待状态,将ASM图改成MDS图,得到6个激励方程和有关输出方程如下：,控制器的部分VHDL程序如下：,WHEN QA=H=0; -时钟信号CNP置0IF A=0 THEN -WAIT_T没按下current_state=QA;ELSE -WAIT_T按下current_state=QB;M=0; L=1; K=1;END IF;,PACKAGE state_pack ISTYPE state IS(QA,QB,QC,QD,QE,QF); END state_pack;,LIBRARY i

16、eee; USE ieee.std_logic_1164.all; USE work.state_pack.all;,ENTITY controll ISPORT(A,B,C,D,E,F,G,OSC2:IN std_logic;H,I,J,K,L,M:OUT std_logic); END controll;,ARCHITECTURE controll_arc OF controll ISSIGNAL current_state:state_pack:=QA; BEGINPROCESSBEGIN,WAIT UNTILL OSC2=1 AND OSC2EVENT;M= 1;CASE curren

17、t_state IS,若WAIT_T(A)有效，进入B状态，公式 （2）相对应；L（SLT）和 K（SLA）置 1，公式（11）和（12）;M（ WAIT_L) 置0,公式(8)的第一个乘积项与之相对应。,第四节 数字系统设计实例,这一节，介绍三个系统设计实例，以便更好掌握现代数字系统设计方法。,1.汽车尾灯控制系统;,2.四路口交通灯控制系统;,3.自动售货机控制系统。,小 结,1.数字系统由控制电路和受控电路组成，控制电路受同一时钟的控制。,2.ASM表面上与通常的软件流程图非常相似，但ASM图表示事件的精确时间间隔序列，而一般的软件流程图没有时间的概念。,MDS图与状态图十分相似，但MD

18、S图比状态图简练，并且扩展了状态图的功能，用MDS图表示控制器的控制过程时，既方便清晰有具有较大的灵活性。,ASM图或MDS图的建立是整个过程中的关键步骤，这一步解决的好，以后各个步骤就比较容易解决。用ASM图或MDS图描述一个数字系统不是唯一的，应选择最佳的ASM图或MDS图方案。,3.从上至下的设计方法是从宏观的总体要求入手，尽可能将数字系统划分为较简单的较小的子系统，再通过逻辑接口设计用各种划分的逻辑电路实现所要求的数字系统,4. 数字系统的设计分为系统级设计和逻辑级设计两个阶段。系统级设计即原理性设计，是数字系统设计的关键步骤，也是最困难的、最具有创造性的一步。画出ASM图或MDS图是完成系统级设计的标志。,5.系统级设计的具体步骤是： (1)在详细了解设计任务的基础上，确定顶层系统的方案； (2)列出各个输入变量； (3)列出各个输出变量； (4)给定时钟周期T； (5)画出ASM图或MDS图。,作 业,9-1，9-3，9-5，9-6，9-7，9-9，9-11,