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1、教学课件第教学课件第9章章 数字系统分析与设计数字系统分析与设计第第9章章 数字系统分析与设计数字系统分析与设计9.1 数字系统概述数字系统概述数字系统是指由若干数字电路和逻辑部件构成的能够处理数字系统是指由若干数字电路和逻辑部件构成的能够处理或传送数字信息的设备。或传送数字信息的设备。数字系统主体通常可以分为两部分数字系统主体通常可以分为两部分:数据处理器和控制器。数据处理器和控制器。数据处理器按功能又可分解成若干子数据处理器按功能又可分解成若干子 处理单元处理单元,通常称为通常称为子系统子系统,每个子系统完成某个局部操作。计数器、寄存器、每个子系统完成某个局部操作。计数器、寄存器、译码器等
2、都可作为一个典型的子系统。译码器等都可作为一个典型的子系统。第第9章章 数字系统分析与设计数字系统分析与设计9.1 数字系统概述数字系统概述数字系统是指由若干数字电路和逻辑部件构成的能够处理数字系统是指由若干数字电路和逻辑部件构成的能够处理或传送数字信息的设备。或传送数字信息的设备。第第9章章 数字系统分析与设计数字系统分析与设计9.2 数字系统设计语言数字系统设计语言-寄存器传送语言寄存器传送语言一个复杂的数字系统，它的内部状态变量很多，若用常规一个复杂的数字系统，它的内部状态变量很多，若用常规方法和工具方法和工具(如真值表、卡诺图和逻辑函数表达式如真值表、卡诺图和逻辑函数表达式)来描述来描
3、述和设计，显然是困难的，因而必须寻找从系统总体出发来和设计，显然是困难的，因而必须寻找从系统总体出发来描述和设计的方法。描述和设计的方法。系统设计方法有多种，如时序流程法、硬件程序法等。系统设计方法有多种，如时序流程法、硬件程序法等。硬件程序法采用一种符号表示硬件程序法采用一种符号表示 法法-寄存器传送语言来描述寄存器传送语言来描述数字系统中的信息传递和处理过程，然后再转换成硬件结数字系统中的信息传递和处理过程，然后再转换成硬件结构。构。第第9章章 数字系统分析与设计数字系统分析与设计9.2 数字系统设计语言数字系统设计语言-寄存器传送语言寄存器传送语言这里介绍的是一种简便的寄存器传送这里介绍
4、的是一种简便的寄存器传送 语言。语言。在这种方法中，数字系统按功能被分为数据处理器和控制在这种方法中，数字系统按功能被分为数据处理器和控制器两部分，其功能框图如图所示。数器两部分，其功能框图如图所示。数 据处理器主要进行数据处理器主要进行数据的传送和运算。寄存器是该部分的基本部件。据的传送和运算。寄存器是该部分的基本部件。第第9章章 数字系统分析与设计数字系统分析与设计9.2.1 基本语句基本语句1.传送语句传送语句传送语句的基本形式为：传送语句的基本形式为：B A2.并列传送语句并列传送语句P1:A B，P2:C D3.总线传送语句总线传送语句BUS表示总线表示总线,是源寄存器的控制函数，是
5、源寄存器的控制函数，是目的寄存是目的寄存器的控制函数。器的控制函数。第第9章章 数字系统分析与设计数字系统分析与设计9.2.1 基本语句基本语句4.输入输入/输出线线端传送语句输出线线端传送语句输入输入/输出线线端与总线做同样处理，给出线端符号即可。输出线线端与总线做同样处理，给出线端符号即可。5.存储器传送语句存储器传送语句存储器的存储器的“读读”操作：操作：存储器的存储器的“写写”操作：操作：实现存储器传送语句的硬件结构图如图所示。实现存储器传送语句的硬件结构图如图所示。第第9章章 数字系统分析与设计数字系统分析与设计9.2.1 基本语句基本语句6.条件语句条件语句无条件转移语无条件转移语
6、 句形式为：句形式为：条件转移语句形式为：条件转移语句形式为：7.算术微操作语句算术微操作语句加法微操作语句为：加法微操作语句为：减法微操作语句为：减法微操作语句为：第第9章章 数字系统分析与设计数字系统分析与设计9.2.1 基本语句基本语句8.逻辑微操作语句逻辑微操作语句逻辑微操作是指对寄存器之间相对应的每一位进行逻辑运逻辑微操作是指对寄存器之间相对应的每一位进行逻辑运算算,包括与、或、非、异或、同或等。包括与、或、非、异或、同或等。“与与”微操作为：微操作为：9.移位微操作移位微操作左移语句为：左移语句为：右移语句为：右移语句为：第第9章章 数字系统分析与设计数字系统分析与设计9.2.2设
7、计举例设计举例进行系统设计时，首先应进行总体设计，分析系统功能，进行系统设计时，首先应进行总体设计，分析系统功能，确定总体任务。然后根据设计目确定总体任务。然后根据设计目 标和要求，确定一种算法标和要求，确定一种算法,据此画出系统框图，用寄存器传送语言写出其工作过程的据此画出系统框图，用寄存器传送语言写出其工作过程的微操作语微操作语 句，最后转换成硬件结构设计。句，最后转换成硬件结构设计。1.数据处理器数据处理器寄存器传送语句可直接翻译成逻辑电路。寄存器是由触发寄存器传送语句可直接翻译成逻辑电路。寄存器是由触发器构成的，寄存器中的每一位均对应一个触发器。寄存器器构成的，寄存器中的每一位均对应一
8、个触发器。寄存器传送语句中箭头的左边代表触发器的次态，可直接根据寄传送语句中箭头的左边代表触发器的次态，可直接根据寄存器传送语句写出触发器的状态方程，从而实现硬件连接。存器传送语句写出触发器的状态方程，从而实现硬件连接。9.2.2设计举例设计举例【例例9-1】设有两个由设有两个由 D触发器组成的位寄存器，需实现触发器组成的位寄存器，需实现如下逻辑功能：如下逻辑功能：。试设计该电路的数据。试设计该电路的数据处理部分。处理部分。解解:可列出触发器可列出触发器 Ai 和和 Bi(i,)的状态方程的状态方程并由并由 D 触发器的状态方程触发器的状态方程 Qn D可得到状态激励表可得到状态激励表9.2.
9、2设计举例设计举例【例例9-1】设有两个由设有两个由 D触发器组成的位寄存器，需实现触发器组成的位寄存器，需实现如下逻辑功能：如下逻辑功能：。试设计该电路的数据。试设计该电路的数据处理部分。处理部分。画出图所示电路画出图所示电路2.控制器控制器控制器的作用是保证电路按正确的时序工作。它应定时发控制器的作用是保证电路按正确的时序工作。它应定时发出控制命令使电路各环节协调出控制命令使电路各环节协调 一致有序地工作。一致有序地工作。控制器是一个时序电路，可分同步和导步两种工作方式。控制器是一个时序电路，可分同步和导步两种工作方式。下面讨论的均属同步方式。下面讨论的均属同步方式。【例例9-2】设计一个
10、设计一个n 位并行加法电路。该电路带位并行加法电路。该电路带有外部控制按钮，用来控制运算的开始。有外部控制按钮，用来控制运算的开始。9.2.2设计举例设计举例【例例9-2】设计一个设计一个n 位并行加法电路。该电路带位并行加法电路。该电路带有外部控制按钮，用来控制运算的开始。有外部控制按钮，用来控制运算的开始。解解:因为要完成两个数相加，所以必须有三个寄存器，分别因为要完成两个数相加，所以必须有三个寄存器，分别存放加数存放加数(X)、被加数、被加数(Y)及和数。及和数。还应有一个加法器。因为寄存器还应有一个加法器。因为寄存器 X 和和 Y 公用一个缓冲寄存公用一个缓冲寄存器器(BR)，所以采用
11、有三态门的总线传送方式。，所以采用有三态门的总线传送方式。各部件必须由控制命令来协调工作。据此可以画出逻辑框各部件必须由控制命令来协调工作。据此可以画出逻辑框图如图所示。图如图所示。9.2.2设计举例设计举例逻辑框图如图所示逻辑框图如图所示9.2.2设计举例设计举例逻辑图中各控制命令符号的意义分别是逻辑图中各控制命令符号的意义分别是:W 为将数据写入寄为将数据写入寄存器控制命令存器控制命令,R为从寄存器读出数据控制命令为从寄存器读出数据控制命令,下标为各寄下标为各寄存器名存器名,ZA 为累加器为累加器(ACC)清零命令。清零命令。由加法算法可写出下列寄存器传送语句由加法算法可写出下列寄存器传送
12、语句:9.2.2设计举例设计举例其中其中K表示外部控制按钮命令。若按下按钮则表示外部控制按钮命令。若按下按钮则 K，否，否则则 K0。9.2.2设计举例设计举例这个系统有这个系统有 T0T6 共共7个标号个标号,即计数器需有即计数器需有S0S6 共共7个状个状态。在每个状态下发出该状态下的控制命令，见表态。在每个状态下发出该状态下的控制命令，见表9-59.2.2设计举例设计举例选用三个触发器组成计数器即可满足状态数要求。选用三个触发器组成计数器即可满足状态数要求。状态转状态转 换图如图换图如图9-13所示。状态分配及与控制命令的关系所示。状态分配及与控制命令的关系见表见表9-6，实现时采用三个
13、，实现时采用三个 D 触发器组成触发器组成 计数器。译码器计数器。译码器输出各控制命令。输出各控制命令。9.2.2设计举例设计举例选用三个触发器组成计数器即可满足状态数要求。选用三个触发器组成计数器即可满足状态数要求。状态转状态转 换图如图换图如图9-13所示。状态分配及与控制命令的关系所示。状态分配及与控制命令的关系见表见表9-6，实现时采用三个，实现时采用三个 D 触发器组成触发器组成 计数器。译码器计数器。译码器输出各控制命令。输出各控制命令。9.2.2设计举例设计举例触发器输入端触发器输入端(Di)激励激励 信号卡诺图信号卡诺图控制器的时序部分逻辑图控制器的时序部分逻辑图,图图9-14
14、(c)为图为图9-14(b)的逻辑符号的逻辑符号9.2.2设计举例设计举例(加法电路加法电路)控制控制器的逻辑图如图器的逻辑图如图9-15所示。所示。9.2.2设计举例设计举例9.3.1简易计算机基本结构简易计算机基本结构9.3简易计算机的功能分析与电路设计简易计算机的功能分析与电路设计9.3.2 简易计算机框图设计简易计算机框图设计9.3简易计算机的功能分析与电路设计简易计算机的功能分析与电路设计9.3.3 简易计算机控制器设计简易计算机控制器设计1.简易计算机工作过程用寄存器传送语言描述简易计算机工作过程用寄存器传送语言描述9.3简易计算机的功能分析与电路设计简易计算机的功能分析与电路设计
15、9.3.3 简易计算机控制器设计简易计算机控制器设计2.控制电路设计控制电路设计9.3简易计算机的功能分析与电路设计简易计算机的功能分析与电路设计9.3.4 简易计算机部件逻辑设计简易计算机部件逻辑设计部件逻辑设计就是选择适当的芯片完成图部件逻辑设计就是选择适当的芯片完成图9-17各部各部件的功能。件的功能。1.存储器存储器(M)存储器只作为存储指令的部件，在运行过程存储器只作为存储指令的部件，在运行过程 中只对它进行中只对它进行读操作，而不进行写操作读操作，而不进行写操作.所以把简易计算机的三条指令所以把简易计算机的三条指令(LD、ADD和和 HALT)固化到固化到 EPROM2716(简称
16、简称2716)中。中。9.3简易计算机的功能分析与电路设计简易计算机的功能分析与电路设计9.3.4 简易计算机部件逻辑设计简易计算机部件逻辑设计2.程序计数器程序计数器(PC)在简易计算机中，选用在简易计算机中，选用 74HC161位同步二进制计数器作为位同步二进制计数器作为程序计数器程序计数器.3.存储器地址寄存器存储器地址寄存器(MAR)在简易计算机中，存储器只使用了在简易计算机中，存储器只使用了5个个 存储单元，所以可用存储单元，所以可用三个三个 D触发器实现其功能。现选用触发器实现其功能。现选用8位位 D 触发器触发器74HC377。9.3简易计算机的功能分析与电路设计简易计算机的功能
17、分析与电路设计9.3.4 简易计算机部件逻辑设计简易计算机部件逻辑设计4.数据寄存器数据寄存器(DR)由于来自存储器的数据是位的，因此必须用由于来自存储器的数据是位的，因此必须用8位位 D触发器，触发器，又由于数据寄存器直接与总线相连，因此必须选用三态输出又由于数据寄存器直接与总线相连，因此必须选用三态输出电路，电路，故选用带三态输出的故选用带三态输出的8位位 D锁存器锁存器74HC373。5.累加器累加器(A)累加器是存放操作数和中间结果的寄存器。由于数据是累加器是存放操作数和中间结果的寄存器。由于数据是8位位的，故选用的，故选用8位位 D 触发器触发器 74HC377。9.3简易计算机的功
18、能分析与电路设计简易计算机的功能分析与电路设计9.3.4 简易计算机部件逻辑设计简易计算机部件逻辑设计6.加法器加法器(FA)及和数寄存器及和数寄存器(SR)选用两个选用两个4位全加器位全加器74HC283。选用。选用8位位D触发器触发器 74HC377和和8位三态门位三态门74HC244。7.指令寄存器指令寄存器(IR)和译码器和译码器指令代码是指令代码是8位的，所以指令寄存器选用位的，所以指令寄存器选用8位位 D 触发器触发器 74HC377。8.节拍发生器节拍发生器使用一个使用一个8位位 D触发器触发器74HC273和一个双和一个双 D 触发器触发器 74HC74构成节拍发生器。构成节拍
19、发生器。9.3简易计算机的功能分析与电路设计简易计算机的功能分析与电路设计9.3.4 简易计算机部件逻辑设计简易计算机部件逻辑设计9.控制电路控制电路简易计算机中的控制电路是用通用逻辑阵列简易计算机中的控制电路是用通用逻辑阵列(GAL)实现的。实现的。10.时钟信号源时钟信号源可用可用555定时器组成的多谐振荡器实现。定时器组成的多谐振荡器实现。9.3简易计算机的功能分析与电路设计简易计算机的功能分析与电路设计9.3.5 简易计算机的实现简易计算机的实现9.3简易计算机的功能分析与电路设计简易计算机的功能分析与电路设计9.3.5 简易计算机的实现简易计算机的实现9.3简易计算机的功能分析与电路设计简易计算机的功能分析与电路设计