第4章数字系统建模与描述课件

1主要内容主要内容n数字系数字系统的模型的模型结构构n数字系数字系统的算法与描述的算法与描述n数字系数字系统设计的基本步的基本步骤1主要内容数字系统的模型结构2数字系统模型结构数字系统模型结构2数字系统模型结构3模型模型结构构n按照数字系按照数字系统的定的定义来构成模型来构成模型u数据数据处理模理模块：数据：数据处理子系理子系统/信息信息处理理单元元v功能：完成数据的采集、存功能：完成数据的采集、存储、运算和、运算和传输v组成：由存成：由存储器器/运算器运算器/寄存器寄存器/数据数据选择器等器等组成成v工作工作过程：根据接收的控制信号完成数据的存取和运算，程：根据接收的控制信号完成数据的存取和运算，并将操作并将操作进程和程和结果作果作为条件信号反条件信号反馈给控制器。控制器。3模型结构按照数字系统的定义来构成模型4模型模型结构构n按照数字系按照数字系统的定的定义来构成模型来构成模型u控制器模控制器模块：控制子系：控制子系统v功能：系功能：系统功能的核心功能的核心v组成：由成：由组合合电路和存路和存储电路或寄存器路或寄存器组成成v工作工作过程：接收外部控制信号和数据程：接收外部控制信号和数据处理器的条件信号。理器的条件信号。控制器在控制器在时钟信号的作用下信号的作用下进行状行状态转换，同，同时产生与生与状状态和条件信号相和条件信号相对应的控制信号，通的控制信号，通过控制信号去控控制信号去控制数据制数据处理器完成具体的操作。理器完成具体的操作。4模型结构按照数字系统的定义来构成模型5模型模型结构构n典型的模型典型的模型结构构数据处理器数据处理器控制器控制器数据输入数据输入数据输出数据输出时钟信号时钟信号控制信号控制信号条件信号条件信号外部控制信号外部控制信号5模型结构典型的模型结构数据处理器控制器数据输入数据输出时钟6数据处理器数据处理器6数据处理器7数据数据处理器的功能理器的功能n完成系完成系统算法算法规定的定的逻辑功能功能数据存数据存储、算、算术和和逻辑运算、数据运算、数据传送和送和变换。n数字系数字系统的功能的功能单元元n数据数据处理器理器实现需要考需要考虑的几个方面的几个方面u选择器件的考器件的考虑u数据数据处理器的理器的结构模型构模型u信号的信号的输入入输出关系出关系u数据数据处理器的理器的设计步步骤7数据处理器的功能完成系统算法规定的逻辑功能数据存储、算8数据数据处理器的器件理器的器件选择n资源源满足功能需求，且要一定的裕度足功能需求，且要一定的裕度n性能因素：速度性能因素：速度/可靠性可靠性/功耗功耗/可可测试性性/n物理因素：尺寸物理因素：尺寸/散散热/封装封装/n成本因素：器件成本成本因素：器件成本/软件成本件成本/开开发成本成本/维护成本成本/8数据处理器的器件选择资源满足功能需求，且要一定的裕度9数据数据处理器的理器的结构构 n数据数据处理器可以由寄存器和理器可以由寄存器和组合合逻辑电路路组成成 寄存器寄存器组合逻辑电路组合逻辑电路EQ时钟信号时钟信号YZXTSn输入信号输入信号Xn输出信号输出信号Zn控制信号控制信号Tn条件信号条件信号SnY为寄存器的输入信号为寄存器的输入信号nQ为寄存器状态信号为寄存器状态信号n功能选择信号功能选择信号E9数据处理器的结构 数据处理器可以由寄存器和组合逻辑电路组成10数据数据处理器的信号关系理器的信号关系n寄存器的状寄存器的状态信号信号Q u状状态信号信号Q在在时钟信号的有效信号的有效边沿沿发生改生改变u有有现态(Qn)和次和次态(Qn+1)之分之分u状状态信号的关系信号的关系Qn+1=F(X,Qn,T)u寄存器的次寄存器的次态与数据与数据处理器的理器的输入信号入信号X、数据、数据处理器的控制信号理器的控制信号T和寄存器的和寄存器的现态Qn有关有关 10数据处理器的信号关系寄存器的状态信号Q 11数据数据处理器的信号关系理器的信号关系n数据数据处理器的理器的输入信号入信号Xu待待处理的理的输入信息入信息n数据数据处理器的控制信号理器的控制信号Tu来自控制器的来自控制器的输出控制端，决定数据出控制端，决定数据处理器理器实现哪哪一种操作，何一种操作，何时有有输出信号出信号 u控制信号控制信号应是一是一组序列信号序列信号u常常见的控制信号：的控制信号：CLR、ADD、INC、DEC等等 11数据处理器的信号关系数据处理器的输入信号X12数据数据处理器的信号关系理器的信号关系n数据数据处理器的理器的输出信号出信号Zu数据数据处理器的理器的输出信号出信号Z是是输入信号入信号X、寄存器的、寄存器的现态Qn和控制信号和控制信号T的函数的函数ZG(X，Qn，T)n数据数据处理器的条件信号理器的条件信号S u条件信号条件信号S是通是通过对被被处理信息的理信息的检测而而产生的，生的，反映了被反映了被处理信息的状理信息的状态u数据数据处理器的条件信号理器的条件信号S是是输入信号入信号X、寄存器的、寄存器的状状态Qn的函数。其表达式的函数。其表达式为：SR(X，Qn)12数据处理器的信号关系数据处理器的输出信号Z13数据数据处理理单元元设计的基本步的基本步骤 n组成数据成数据处理理单元元逻辑框框图n构成数据构成数据处理理单元元详细逻辑电路路图n确定控制信号确定控制信号时序序 13数据处理单元设计的基本步骤 组成数据处理单元逻辑框图14控制器控制器14控制器15数字系数字系统的控制方式的控制方式 n数字系数字系统有三种控制方式有三种控制方式u集中控制：集中控制：仅使用一个控制器来控制整个系使用一个控制器来控制整个系统算法算法的的执行，常采用同步工作方式行，常采用同步工作方式 u分散控制：全部的控制功能分散在各个子系分散控制：全部的控制功能分散在各个子系统中完中完成。成。这种控制方式的种控制方式的时序可以采用同步方式，也可序可以采用同步方式，也可以采用异步方式以采用异步方式u集散控制：集散控制采用集中管理、分散控制的工集散控制：集散控制采用集中管理、分散控制的工作方式；系作方式；系统中配有系中配有系统控制器控制器15数字系统的控制方式 数字系统有三种控制方式16控制器的控制器的结构构 n控制器都要根据外部控制信号，按照控制器都要根据外部控制信号，按照规定的算法向数定的算法向数据据处理器理器发出操作指令，同出操作指令，同时接收来自数据接收来自数据处理器的理器的条件信号，确定下一个条件信号，确定下一个计算步算步骤n在某状在某状态下，控制器根据接收的条件信号下，控制器根据接收的条件信号S和外部控和外部控制信号制信号C，由，由组合合电路路产生控制信号生控制信号T。在。在时钟到来到来时，存存储器器转换到下一个状到下一个状态，确定下一个操作步，确定下一个操作步骤。组合逻辑电路组合逻辑电路存储电路存储电路q外部控制信号外部控制信号C时钟信号时钟信号CP条件信号条件信号S控制信号控制信号T16控制器的结构 控制器都要根据外部控制信号，按照规定的算法17系系统同步同步 n系系统同步是指控制器与外部同步是指控制器与外部输入信号和来自数入信号和来自数据据处理理单元的反元的反馈信号之信号之间的同步的同步问题 u控制器与外部控制器与外部输入信号之入信号之间的同步，即异步的同步，即异步输入信入信号的同步化号的同步化u系系统控制器的控制器的输出同步出同步17系统同步 系统同步是指控制器与外部输入信号和来自数据处理18异步异步输入信号的同步化入信号的同步化n由由门电路构成的基本捕路构成的基本捕获单元和元和D触触发器器组成成 18异步输入信号的同步化由门电路构成的基本捕获单元和D触发器19控制器控制器输出同步出同步 n由于两个方面的原因，由于两个方面的原因，输出将会出出将会出现毛刺毛刺u状状态寄存器的各个状寄存器的各个状态变量不会同量不会同时改改变，总是有是有先后的，先后的，这可能引起瞬可能引起瞬时的毛刺的毛刺输出。出。u若若输入端到入端到输出端所出端所经途径不同，即途径不同，即传输延延时不同，不同，则会出会出现毛刺。毛刺。n同步的基本方法：同步的基本方法：时钟触触发器器 19控制器输出同步 由于两个方面的原因，输出将会出现毛刺20202121222223232424252526控制器的功能描述控制器的功能描述 n控制信号方程：控制信号方程：T=F(S，C，Qn)n状状态方程：方程：Qn+1=G(S，C，Qn)n控制器的状控制器的状态转换表表 n表中的行表示现态表中的行表示现态Qj，表中的列表示条件信号的，表中的列表示条件信号的取值取值Si，第，第j行第行第i列的内容为控制器的次态和控制列的内容为控制器的次态和控制信号信号T的值。其中，的值。其中，G(Si，C，Qj)表示控制器的表示控制器的次态，次态，F(Si，C，Qj)表示控制信号表示控制信号T的值。的值。26控制器的功能描述 控制信号方程：T=F(S，C，Q27数字系统的算法及其描述数字系统的算法及其描述27数字系统的算法及其描述28主要内容主要内容n算法算法设计n数字系数字系统算法流程算法流程图描述描述n状状态机及算法状机及算法状态机机图描述描述 n备有有记忆文件的状文件的状态图MDS 28主要内容算法设计29算法算法设计n考考虑因素：功能与性能因素：功能与性能n考考虑硬件硬件结构与构与资源源对算法的影响算法的影响u硬件硬件资源源规模小模小时，考，考虑设计简单u硬件硬件资源丰富源丰富时，应该考考虑提高速度等指提高速度等指标u算法必算法必须具有硬件的可具有硬件的可实现性性29算法设计考虑因素：功能与性能30算法算法设计n算法算法结构构u顺序算法序算法结构：各个操作按照次序依次构：各个操作按照次序依次执行行u顺序序结构的构的执行行时间与数据流个数、操作步与数据流个数、操作步骤等有等有关。关。u并行并行电路路实现顺序算法需要一定的策略。序算法需要一定的策略。30算法设计算法结构31算法算法设计n并行算法并行算法结构构u多个操作在同一多个操作在同一时刻同刻同时运行，且运行，且这些操作之些操作之间几几乎没有依乎没有依赖关系；关系；u每一个操作需要独立的硬件每一个操作需要独立的硬件资源源实现，因此硬件成，因此硬件成本本较大；大；u并行算法并行算法结构的运行速度比构的运行速度比顺序序结构高构高31算法设计并行算法结构32算法算法设计n流水流水线结构构u把整个运算把整个运算过程程分解成若干段，分解成若干段，系系统在同一在同一时刻刻可可对先后先后输入的入的数据流元素数据流元素进行行不同不同阶段的运算。段的运算。u流水流水线结构几乎构几乎可以在一个可以在一个时钟周期内得到一个周期内得到一个结果果速度很快速度很快(面面积换速度速度)32算法设计流水线结构33数字系数字系统算法流程算法流程图描述描述n算法流程算法流程图是一种描述数字系是一种描述数字系统硬件操作功能硬件操作功能的的图形方法。形方法。n由于描述硬件的由于描述硬件的动作，某些作，某些结构存在并构存在并发性。性。33数字系统算法流程图描述算法流程图是一种描述数字系统硬件操34算法流程算法流程图的符号及其描述方法的符号及其描述方法n启启动框和框和结束框束框u启启动框和框和结束框表示束框表示该算法流程算法流程图的开始和的开始和结束束34算法流程图的符号及其描述方法启动框和结束框35算法流程算法流程图的符号及其描述方法的符号及其描述方法n工作框工作框u用矩形框表示用矩形框表示u框内用文字框内用文字说明明该工作框所工作框所对应的硬件操作内容及的硬件操作内容及对应的的输出信号出信号u算法流程算法流程图与硬件的功能与硬件的功能应有很好的有很好的对应关系。一关系。一个工作框的功能很容易地映射成个工作框的功能很容易地映射成为一个的一个的逻辑电路。路。35算法流程图的符号及其描述方法工作框36算法流程算法流程图的符号及其描述方法的符号及其描述方法n判断框判断框u判断框用菱形框来描述。判断框用菱形框来描述。u框内框内给出判断量和判断条出判断量和判断条件。根据不同的判断件。根据不同的判断结果，果，算法流程算法流程图将确定将确定转向不向不同的后同的后继操作。操作。u判断框必定有两个或两个判断框必定有两个或两个以上的后以上的后续操作，当后操作，当后续操作超操作超过3个个时可以用若可以用若干个判断框干个判断框连接来描述。接来描述。36算法流程图的符号及其描述方法判断框37算法流程算法流程图的符号及其描述方法的符号及其描述方法n条件框条件框u条件框用条件框用圆角矩形来表示。角矩形来表示。u条件框一定与判断框的一条件框一定与判断框的一个分支相个分支相连，且，且仅当当该分分支条件支条件满足足时，条件框中，条件框中所表明的操作才被所表明的操作才被执行。行。u条件框描述了硬件操作的条件框描述了硬件操作的并并发性：条件框的操作是性：条件框的操作是与判断与判断结果同果同时发生的生的。37算法流程图的符号及其描述方法条件框38算法流程算法流程图的符号及其描述方法的符号及其描述方法n示例：串行加法器示例：串行加法器u串行加法器是利用一位加法器串行加法器是利用一位加法器实现两个多位二两个多位二进制制数据相加的数据相加的电路。路。u四位串行加法器四位串行加法器电路的路的组成：加法控制成：加法控制电路路/累加累加器器(ACC)/加数寄存器加数寄存器/一位全加器和一位全加器和进位位寄存器。位位寄存器。38算法流程图的符号及其描述方法示例：串行加法器39算法流程算法流程图的符号及其描述方法的符号及其描述方法n示例：串行加法器示例：串行加法器39算法流程图的符号及其描述方法示例：串行加法器40算法流程算法流程图的符号及其描述方法的符号及其描述方法n乘法器乘法器步骤步骤操作内容操作内容被乘数被乘数 乘数乘数备注备注1初始化初始化9位寄存器，乘数最低位为位寄存器，乘数最低位为“1”，故加被乘数故加被乘数 0 0000 1001 0101 0 0101 1001M=12右移右移1位，最低位为位，最低位为“0”，不加被乘数，不加被乘数 0 0010 1100M=03右移右移1位，最低位为位，最低位为“0”，不加被乘数，不加被乘数 0 0001 0110M=04右移右移1位，最低位为位，最低位为“1”，加被乘数，加被乘数 0 0000 1011 0101 0 0101 1011M=15右移右移1位，产生乘法结果位，产生乘法结果 0 0010 110140算法流程图的符号及其描述方法乘法器步骤操作内容被乘数 41算法流程算法流程图的符号及其描述方法的符号及其描述方法n乘法器乘法器41算法流程图的符号及其描述方法乘法器42算法流程算法流程图的符号及其描述方法的符号及其描述方法n乘法器乘法器42算法流程图的符号及其描述方法乘法器43状态机及算法状态机图描述状态机及算法状态机图描述43状态机及算法状态机图描述44状状态机分机分类及其特点及其特点 n控制器根据控制器根据时序序输出信号出信号产生的机理不同，可生的机理不同，可以分成两以分成两类：u米勒米勒(Mealy)型型u摩摩尔(Moore)型型44状态机分类及其特点 控制器根据时序输出信号产生的机理不同45状状态机分机分类及其特点及其特点nMealy型型时序序电路路u一个一个组合合逻辑电路路/一个状一个状态寄存器寄存器u电路的特点：路的特点：输出不出不仅与当前状与当前状态有关，而且有关，而且还与与输入有关。入有关。45状态机分类及其特点Mealy型时序电路46状状态机分机分类及其特点及其特点nMoore型型时序序电路路u输入信号入信号X和状和状态锁存存时钟clk，输出只有一个出只有一个Y，其其输出出Y值仅与当前的状与当前的状态值有关，而与有关，而与输入入X值无关。无关。46状态机分类及其特点Moore型时序电路47算法状算法状态机流程机流程图的符号的符号 n状状态框框u方框内方框内标注状注状态名和名和输出信号清出信号清单u上方的箭上方的箭头表示表示进入入该状状态，箭，箭头的右方的右方标注注该状状态在系在系统中的中的编码u下方箭下方箭头表示表示该状状态转离的方向离的方向47算法状态机流程图的符号 状态框48算法状算法状态机流程机流程图的符号的符号n判断框判断框u用一个菱形框来表示用一个菱形框来表示u上方箭上方箭头表示表示进入入该框的框的方向方向u左右两个箭左右两个箭头表示根据框表示根据框内内标明的条件取明的条件取值不同而不同而转离的方向离的方向u条件所取的条件所取的值将将标注在箭注在箭头线的上方的上方48算法状态机流程图的符号判断框49算法状算法状态机流程机流程图的符号的符号n条件条件输出框出框u用用圆角矩形框表示。角矩形框表示。u上方箭上方箭头表示条件表示条件值转入的方入的方向，向，该带箭箭头的的线一定与判断一定与判断框的一个分支相框的一个分支相连，且，且继承承对应分支的条件分支的条件值。u下方的箭下方的箭头表示表示转离的方向。离的方向。u框内框内标注条件的注条件的输出信号清出信号清单。49算法状态机流程图的符号条件输出框50算法状算法状态机机图描述描述实例例 n化化简算法状算法状态机机图 50算法状态机图描述实例 化简算法状态机图 51算法状算法状态机机图描述描述实例例n算法状算法状态机机图的反的反馈通道描述通道描述u算法状算法状态机机图中可以有内部的反中可以有内部的反馈通道，内部反通道，内部反馈通道的箭通道的箭头应指向某一个状指向某一个状态的的输入入线 51算法状态机图描述实例算法状态机图的反馈通道描述52算法状算法状态机机图描述描述实例例n算法状算法状态机机图的串并的串并结构构变换u速度与面速度与面积的的转换52算法状态机图描述实例算法状态机图的串并结构变换53算法流程算法流程图至状至状态图的的变换方法方法 n算法流程算法流程图至状至状态图的的变换主要有以下几个步主要有以下几个步骤：u(a)系系统状状态分配：分配：先先对算法流程算法流程图进行抽象，行抽象，对其工作其工作过程程进行划分。每行划分。每个相个相对独立的操作状独立的操作状态就可以定就可以定义为一个状一个状态u(b)确定各状确定各状态的的输出出u(c)确定确定输入信号及状入信号及状态转移条件移条件53算法流程图至状态图的变换方法 算法流程图至状态图的变换主54状状态图至算法状至算法状态机机图的的变换方法方法 n通常将状通常将状态图变换成算法状成算法状态机机图(ASM)需需经过以下几个步以下几个步骤：u(a)对现有状有状态进行行编码u(b)各各输出信号的确定出信号的确定u(c)按状按状态编码顺序画出算法状序画出算法状态机机图n示例：示例：P147/P14854状态图至算法状态机图的变换方法 通常将状态图变换成算法状55C语言流程言流程图至算法状至算法状态机机图的的变换 n(1)顺序序结构：构：u顺序序结构部分可以构部分可以归结在一个状在一个状态中，因中，因为一般一般顺序操作中不会改序操作中不会改变系系统的工作状的工作状态。n(2)分支分支结构：构：u分支程序的条件量是系分支程序的条件量是系统状状态的的输入，不同条件将入，不同条件将转向不同的状向不同的状态，从而，从而发生状生状态转移。移。n(3)循循环结构：构：u循循环程序以循程序以循环变量量为条件量，条件量，该条件量通常是一条件量通常是一个个计数数值。当。当计数数值达到指定达到指定值时，条件，条件满足，状足，状态发生生转移，移，这一点与分支一点与分支结构相构相类似。似。55C语言流程图至算法状态机图的变换(1)顺序结构：56备有记忆文件的状态图备有记忆文件的状态图MDS 56备有记忆文件的状态图MDS 57MDS图的表达符号的表达符号 n用写有用写有标识符的符的圆圈来表示系圈来表示系统的状的状态，并以，并以标识符表示符表示该状状态n状状态之之间的箭的箭头连接表示状接表示状态的的转换。n状状态旁旁边的表达式表示的表达式表示输出。出。u(1)无条件无条件输出：直接用出：直接用输出出标识符符Y表示；表示；u(2)输出无效：用出无效：用标识符符“Y”表示；表示；u(3)脉冲脉冲输出：表示出：表示进入入该系系统时输出有效，退出出有效，退出该系系统时输出无效，用出无效，用标识符符“Y”表示；表示；u(4)条件条件输出。用出。用带有条件表达式的有条件表达式的输出量表示，出量表示，如如Y=SiE 57MDS图的表达符号 用写有标识符的圆圈来表示系统的状态，58MDS图的建立的建立 n(1)将工作框将工作框转换为状状态助助记符：符：u用用圆表示状表示状态，圆中的字母中的字母为状状态值的助的助记符符n(2)判断框判断框转换为分支助分支助记符符n(3)多个判断框多个判断框转换为条件分支助条件分支助记符符n(4)含有异步含有异步输入信号的判断条件的入信号的判断条件的转换：在两：在两个工作框之个工作框之间只允只允许存在一个异步存在一个异步输入信号入信号n(5)输出信号出信号转换为助助记符：符：详细逻辑流程流程图中中的的输出信号有脉冲出信号有脉冲输出信号、出信号、输出有效、出有效、输出出无效和条件无效和条件输出信号等出信号等4种。种。n(6)输出信号的表格表达形式出信号的表格表达形式 58MDS图的建立(1)将工作框转换为状态助记符：59数字系统设计的基本步骤数字系统设计的基本步骤 59数字系统设计的基本步骤 60数字系数字系统设计的一般步的一般步骤 n1.系系统需求分析需求分析n2.算法算法设计n3.算法描述算法描述n4.系系统结构构选择n5.系系统具体具体设计n6.系系统仿真与仿真与验证60数字系统设计的一般步骤 1.系统需求分析61数字系数字系统并并发处理的理的设计 n(1)简单的前后合并的前后合并处理理n(2)正向引用合并正向引用合并处理理n(3)分支条件与分支条件与处理合并理合并n(4)分支条件合并分支条件合并n(5)时间空空间拓展拓展61数字系统并发处理的设计(1)简单的前后合并处理