可编程器件第4章数字系统建模与描述(1)

单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二层,数字系统建模与描述,1,主要内容,数字系统的模型结构,数字系统的算法与描述,数字系统设计的基本步骤,2,数字系统模型结构,3,模型结构,按照数字系统的定义来构成模型,数据处理模块：数据处理子系统,/,信息处理单元,功能：完成数据的采集、存储、运算和传输,组成：由存储器,/,运算器,/,寄存器,/,数据选择器等组成,工作过程：根据接收的控制信号完成数据的存取和运算，并将操作进程和结果作为条件信号反馈给控制器。,4,模型结构,按照数字系统的定义来构成模型,控制器模块：控制子系统,功能：系统功能的核心,组成：由组合电路和存储电路或寄存器组成,工作过程：接收外部控制信号和数据处理器的条件信号。控制器在时钟信号的作用下进行状态转换，同时产生与状态和条件信号相对应的控制信号，通过控制信号去控制数据处理器完成具体的操作。,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,时钟信号,控制信号,条件信号,外部控制信号,6,数据处理器,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、算术和逻辑运算、数据传送和变换。,数字系统的功能单元,数据处理器实现需要考虑的几个方面,选择器件的考虑,数据处理器的结构模型,信号的输入输出关系,数据处理器的设计步骤,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,性能因素：速度,/,可靠性,/,功耗,/,可测试性,/,物理因素：尺寸,/,散热,/,封装,/,成本因素：器件成本,/,软件成本,/,开发成本,/,维护成本,/,9,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,寄存器,组合逻辑电路,E,Q,时钟信号,Y,Z,X,T,S,输入信号,X,输出信号,Z,控制信号,T,条件信号,S,Y,为寄存器的输入信号,Q,为寄存器状态信号,功能选择信号,E,10,数据处理器的信号关系,寄存器的状态信号,Q,状态信号,Q,在时钟信号的有效边沿发生改变,有现态,(,Q,n,),和次态,(,Q,n+,1,),之分,状态信号的关系,Q,n+,1,=F(X,Q,n,T),寄存器的次态与数据处理器的输入信号,X,、数据处理器的控制信号,T,和寄存器的现态,Q,n,有关,11,数据处理器的信号关系,数据处理器的输入信号,X,待处理的输入信息,数据处理器的控制信号,T,来自控制器的输出控制端，决定数据处理器实现哪一种操作，何时有输出信号,控制信号应是一组序列信号,常见的控制信号：,CLR,、,ADD,、,INC,、,DEC,等,12,数据处理器的信号关系,数据处理器的输出信号,Z,数据处理器的输出信号,Z,是输入信号,X,、寄存器的现态,Q,n,和控制信号,T,的函数,Z,G(X,，,Q,n,，,T),数据处理器的条件信号,S,条件信号,S,是通过对被处理信息的检测而产生的，反映了被处理信息的状态,数据处理器的条件信号,S,是输入信号,X,、寄存器的状态,Q,n,的函数。其表达式为：,S,R(X,，,Q,n,),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,构成数据处理单元详细逻辑电路图,确定控制信号时序,14,控制器,15,数字系统的控制方式,数字系统有三种控制方式,集中控制：仅使用一个控制器来控制整个系统算法的执行，常采用同步工作方式,分散控制：全部的控制功能分散在各个子系统中完成。这种控制方式的时序可以采用同步方式，也可以采用异步方式,集散控制：集散控制采用集中管理、分散控制的工作方式；系统中配有系统控制器,16,控制器的结构,控制器都要根据外部控制信号，按照规定的算法向数据处理器发出操作指令，同时接收来自数据处理器的条件信号，确定下一个计算步骤,在某状态下，控制器根据接收的条件信号,S,和外部控制信号,C,，由组合电路产生控制信号,T,。在时钟到来时，存储器转换到下一个状态，确定下一个操作步骤。,组合逻辑电路,存储电路,q,外部控制信号,C,时钟信号,CP,条件信号,S,控制信号,T,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单元的反馈信号之间的同步问题,控制器与外部输入信号之间的同步，即异步输入信号的同步化,系统控制器的输出同步,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,触发器组成,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,状态寄存器的各个状态变量不会同时改变，总是有先后的，这可能引起瞬时的毛刺输出。,若输入端到输出端所经途径不同，即传输延时不同，则会出现毛刺。,同步的基本方法：时钟触发器,20,21,22,23,24,25,26,控制器的功能描述,控制信号方程：,T = F(S,，,C,，,Q,n,),状态方程：,Q,n,+1,= G(S,，,C,，,Q,n,),控制器的状态转换表,表中的行表示现态,Q,j,，表中的列表示条件信号的取值,S,i,，第,j,行第,i,列的内容为控制器的次态和控制信号,T,的值。其中，,G(S,i,，,C,，,Q,j,),表示控制器的次态，,F(S,i,，,C,，,Q,j,),表示控制信号,T,的值。,27,数字系统的算法及其描述,28,主要内容,算法设计,数字系统算法流程图描述,状态机及算法状态机图描述,备有记忆文件的状态图,MDS,29,算法设计,考虑因素：功能与性能,考虑硬件结构与资源对算法的影响,硬件资源规模小时，考虑设计简单,硬件资源丰富时，应该考虑提高速度等指标,算法必须具有硬件的可实现性,30,算法设计,算法结构,顺序算法结构：各个操作按照次序依次执行,顺序结构的执行时间与数据流个数、操作步骤等有关。,并行电路实现顺序算法需要一定的策略。,31,算法设计,并行算法结构,多个操作在同一时刻同时运行，且这些操作之间几乎没有依赖关系；,每一个操作需要独立的硬件资源实现，因此硬件成本较大；,并行算法结构的运行速度比顺序结构高,32,算法设计,流水线结构,把整个运算过程分解成若干段，系统在同一时刻可对先后输入的数据流元素进行不同阶段的运算。,流水线结构几乎可以在一个时钟周期内得到一个结果,速度很快,(,面积换速度,),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作功能的图形方法。,由于描述硬件的动作，某些结构存在并发性。,34,算法流程图的符号及其描述方法,启动框和结束框,启动框和结束框表示该算法流程图的开始和结束,35,算法流程图的符号及其描述方法,工作框,用矩形框表示,框内用文字说明该工作框所对应的硬件操作内容及对应的输出信号,算法流程图与硬件的功能应有很好的对应关系。一个工作框的功能很容易地映射成为一个的逻辑电路。,36,算法流程图的符号及其描述方法,判断框,判断框用菱形框来描述。,框内给出判断量和判断条件。根据不同的判断结果，算法流程图将确定转向不同的后继操作。,判断框必定有两个或两个以上的后续操作，当后续操作超过,3,个时可以用若干个判断框连接来描述。,37,算法流程图的符号及其描述方法,条件框,条件框用圆角矩形来表示。,条件框一定与判断框的一个分支相连，且仅当该分支条件满足时，条件框中所表明的操作才被执行。,条件框描述了硬件操作的并发性：条件框的操作是与判断结果同时发生的 。,38,算法流程图的符号及其描述方法,示例：串行加法器,串行加法器是利用一位加法器实现两个多位二进制数据相加的电路。,四位串行加法器电路的组成：加法控制电路,/,累加器,(ACC)/,加数寄存器,/,一位全加器和进位位寄存器。,39,算法流程图的符号及其描述方法,示例：串行加法器,40,算法流程图的符号及其描述方法,乘法器,步骤,操作内容,被乘数 乘数,备注,1,初始化,9,位寄存器，乘数最低位为“,1”,，故加被乘数,0 0000 1001,0101,0 0101 1001,M=1,2,右移,1,位，最低位为“,0”,，不加被乘数,0 0010 1100,M=0,3,右移,1,位，最低位为“,0”,，不加被乘数,0 0001 0110,M=0,4,右移,1,位，最低位为“,1”,，加被乘数,0 0000 1011,0101,0 0101 1011,M=1,5,右移,1,位，产生乘法结果,0 0010 1101,41,算法流程图的符号及其描述方法,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,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，可以分成两类：,米勒,(Mealy),型,摩尔,(Moore),型,45,状态机分类及其特点,Mealy,型时序电路,一个组合逻辑电路,/,一个状态寄存器,电路的特点：输出不仅与当前状态有关，而且还与输入有关。,46,状态机分类及其特点,Moore,型时序电路,输入信号,X,和状态锁存时钟,clk,，输出只有一个,Y,，其输出,Y,值仅与当前的状态值有关，而与输入,X,值无关。,47,算法状态机流程图的符号,状态框,方框内标注状态名和输出信号清单,上方的箭头表示进入该状态，箭头的右方标注该状态在系统中的编码,下方箭头表示该状态转离的方向,48,算法状态机流程图的符号,判断框,用一个菱形框来表示,上方箭头表示进入该框的方向,左右两个箭头表示根据框内标明的条件取值不同而转离的方向,条件所取的值将标注在箭头线的上方,49,算法状态机流程图的符号,条件输出框,用圆角矩形框表示。,上方箭头表示条件值转入的方向，该带箭头的线一定与判断框的一个分支相连，且继承对应分支的条件值。,下方的箭头表示转离的方向。,框内标注条件的输出信号清单。,50,算法状态机图描述实例,化简算法状态机图,51,算法状态机图描述实例,算法状态机图的反馈通道描述,算法状态机图中可以有内部的反馈通道，内部反馈通道的箭头应指向某一个状态的输入线,52,算法状态机图描述实例,算法状态机图的串并结构变换,速度与面积的转换,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要有以下几个步骤：,(a),系统状态分配：,先对算法流程图进行抽象，对其工作过程进行划分。每个相对独立的操作状态就可以定义为一个状态,(b),确定各状态的输出,(c),确定输入信号及状态转移条件,54,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态机图,(ASM),需经过以下几个步骤：,(a),对现有状态进行编码,(b),各输出信号的确定,(c),按状态编码顺序画出算法状态机图,示例：,P147/P148,55,C,语言流程图至算法状态机图的变换,(1),顺序结构：,顺序结构部分可以归结在一个状态中，因为一般顺序操作中不会改变系统的工作状态。,(2),分支结构：,分支程序的条件量是系统状态的输入，不同条件将转向不同的状态，从而发生状态转移。,(3),循环结构：,循环程序以循环变量为条件量，该条件量通常是一个计数值。当计数值达到指定值时，条件满足，状态发生转移，这一点与分支结构相类似。,56,备有记忆文件的状态图,MDS,57,MDS,图的表达符号,用写有标识符的圆圈来表示系统的状态，并以标识符表示该状态,状态之间的箭头连接表示状态的转换。,状态旁边的表达式表示输出。,(1),无条件输出：直接用输出标识符,Y,表示；,(2),输出无效：用标识符“,Y”,表示；,(3),脉冲输出：表示进入该系统时输出有效，退出该系统时输出无效，用标识符“,Y”,表示；,(4),条件输出。用带有条件表达式的输出量表示，如,Y=,Si,E,58,MDS,图的建立,(1),将工作框转换为状态助记符：,用圆表示状态，圆中的字母为状态值的助记符,(2),判断框转换为分支助记符,(3),多个判断框转换为条件分支助记符,(4),含有异步输入信号的判断条件的转换：在两个工作框之间只允许存在一个异步输入信号,(5),输出信号转换为助记符：详细逻辑流程图中的输出信号有脉冲输出信号、输出有效、输出无效和条件输出信号等,4,种。,(6),输出信号的表格表达形式,59,数字系统设计的基本步骤,60,数字系统设计的一般步骤,1.,系统需求分析,2.,算法设计,3.,算法描述,4.,系统结构选择,5.,系统具体设计,6.,系统仿真与验证,61,数字系统并发处理的设计,(1),简单的前后合并处理,(2),正向引用合并处理,(3),分支条件与处理合并,(4),分支条件合并,(5),时间空间拓展,62,