數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計-1

1、1第二章第二章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法v2.1 數(shù)字系統(tǒng)的基本概念數(shù)字系統(tǒng)的基本概念 2.1.1 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 2.1.2 數(shù)字系統(tǒng)的基本模型數(shù)字系統(tǒng)的基本模型v2.2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟 2.2.1 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟 2.2.2 多級系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)多級系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)2v2.3 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法論數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法論 2.3.1 自上而下的設(shè)計方法自上而下的設(shè)計方法 2.3.2 自下而上的設(shè)計方法自下而上的設(shè)計方法 2.3.3 自關(guān)鍵部件開始設(shè)計自關(guān)鍵部件開始設(shè)計 2.3.4 系統(tǒng)信息流驅(qū)動設(shè)計系統(tǒng)信息流驅(qū)動設(shè)計

2、v2.4 數(shù)字系統(tǒng)算法的設(shè)計及算法的結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)算法的設(shè)計及算法的結(jié)構(gòu) 2.4.1 算法的設(shè)計算法的設(shè)計 2.4.2 算法的結(jié)構(gòu)算法的結(jié)構(gòu)3定義：交互式的，以離散形式表示的具有存儲、傳輸、信息定義：交互式的，以離散形式表示的具有存儲、傳輸、信息處理能力的邏輯子系統(tǒng)的集合。處理能力的邏輯子系統(tǒng)的集合。2、數(shù)字系統(tǒng)的基本概念、數(shù)字系統(tǒng)的基本概念模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)0 10 1獨立的實用裝置獨立的實用裝置具有特定功能的邏輯部件具有特定功能的邏輯部件數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)4人機交互人機交互不同邏輯功能塊的協(xié)調(diào)工作不同邏輯功能塊的協(xié)調(diào)工作控制控制 有無控制部件往往作為區(qū)分數(shù)字系統(tǒng)與邏輯功能塊的有無

3、控制部件往往作為區(qū)分數(shù)字系統(tǒng)與邏輯功能塊的重要標志重要標志模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng) 數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)A/DD/A數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)A 0 1 0 1A5數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點：數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點：1、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性：降低了對元件降低了對元件參數(shù)的要求。參數(shù)的要求。0：低電平：低電平1：高電平：高電平穩(wěn)定性提高2、精確性、精確性3、可靠性、可靠性信息冗余、硬件冗余技術(shù)的應(yīng)用信息冗余、硬件冗余技術(shù)的應(yīng)用4、模塊化、模塊化6數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理單元控制單元控制單元代處理數(shù)據(jù)輸入代處理數(shù)據(jù)輸入處理后數(shù)據(jù)輸出處理后數(shù)據(jù)輸出控制序列信號控制序列信號反饋應(yīng)答信號反饋應(yīng)答信號外輸入控制信號外輸入控制信號控制信號輸出控制信號輸出CL

4、K控控 制制 流流數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 流流2.1.1 數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)可劃分成兩個部分數(shù)據(jù)處理器和控制器數(shù)字系統(tǒng)可劃分成兩個部分數(shù)據(jù)處理器和控制器(見圖見圖)o72.1.2 數(shù)字系統(tǒng)的基本模型數(shù)字系統(tǒng)的基本模型動態(tài)模型動態(tài)模型 算法模型算法模型1、數(shù)字系統(tǒng)的動態(tài)模型、數(shù)字系統(tǒng)的動態(tài)模型傳統(tǒng)的描述方法建立的系統(tǒng)模型傳統(tǒng)的描述方法建立的系統(tǒng)模型真值表真值表卡諾圖卡諾圖邏輯方程邏輯方程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖/表表狀態(tài)方程狀態(tài)方程時序圖時序圖8例例1、舉重比賽裁判控制系統(tǒng)的動態(tài)模型、舉重比賽裁判控制系統(tǒng)的動態(tài)模型A、B、C三位裁判，只有兩人以上，且兩人中必須包含主裁判，三位裁判，只有

5、兩人以上，且兩人中必須包含主裁判，表示成功，同時綠燈表示成功，同時綠燈G亮，否則紅燈亮，否則紅燈R亮。亮。第一步：列出系統(tǒng)真值表第一步：列出系統(tǒng)真值表ABCGR0000100101010010110110001101101101011110第二步：作卡諾圖第二步：作卡諾圖10101000ABCG第三步：寫出邏輯函數(shù)第三步：寫出邏輯函數(shù)G=AB+ACR=G9例例2、串行輸入序列變化檢測系統(tǒng)、串行輸入序列變化檢測系統(tǒng) 有一連續(xù)串行輸入序列有一連續(xù)串行輸入序列X，當，當X發(fā)生發(fā)生01或或10 時，系時，系統(tǒng)輸出統(tǒng)輸出Z=1，否則，否則Z=0。兩種狀態(tài)兩種狀態(tài)S0 系統(tǒng)剛收到系統(tǒng)剛收到1個個0S1 系

6、統(tǒng)剛收到系統(tǒng)剛收到1個個1狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖/狀態(tài)裝換表狀態(tài)裝換表 S0S10/01/10/11/0SiX/Z現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài)Si當前輸入當前輸入01S0S0/0 S1/1S1S0/1 S1/010選擇觸發(fā)器選擇觸發(fā)器-D觸發(fā)器觸發(fā)器列出真值表列出真值表Q1nQ0nXZ/Q1n+1D0D1000000001111010101011010100000101111110101111010寫出驅(qū)動方程：寫出驅(qū)動方程：D0=XD1=Q0n X1112例例3、某系統(tǒng)、某系統(tǒng)DS有兩個串行輸入端有兩個串行輸入端X1和和X0，它們的輸入取值，它們的輸入取值為為00（表示（表示0）、）、01（表示（表示1）、）、1

7、0（表示（表示2）。還有一個取值）。還有一個取值位位0、1的串行輸出端的串行輸出端Z。該輸出函數(shù)定義為：。該輸出函數(shù)定義為：01)(tZ若輸入序列有偶數(shù)個若輸入序列有偶數(shù)個2、奇數(shù)個、奇數(shù)個1其余情況其余情況 試建立其動態(tài)模型。試建立其動態(tài)模型。S0：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個1和奇數(shù)個和奇數(shù)個2S1：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個1和奇數(shù)個和奇數(shù)個2S2：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個1和偶數(shù)個和偶數(shù)個2S3：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個1和偶數(shù)個和偶數(shù)個213S2S1S0S301/001/010/010/001/001/100/000/000/110/010/100/

8、0S0：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個1和奇數(shù)個和奇數(shù)個2S1：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個1和奇數(shù)個和奇數(shù)個2S0：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個：系統(tǒng)收到過奇數(shù)個1和偶數(shù)個和偶數(shù)個2S3：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個：系統(tǒng)收到過偶數(shù)個1和偶數(shù)個和偶數(shù)個2S2/1S3/0S0/0S1/0S1/0S0/0S3/0S2/1S1/0S2/1S3/0S0/000 01 10S0S1S2S314傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法：傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法：組合電路：組合電路：系統(tǒng)要求系統(tǒng)要求真值表真值表/卡諾圖卡諾圖邏輯方程邏輯方程系統(tǒng)電路系統(tǒng)電路時序電路：時序電路：系統(tǒng)要求系統(tǒng)要求狀態(tài)圖狀態(tài)圖/表表驅(qū)動方程驅(qū)動方程系統(tǒng)電路系統(tǒng)電

9、路152、數(shù)字系統(tǒng)的算法模型、數(shù)字系統(tǒng)的算法模型基本思想基本思想：系統(tǒng)實現(xiàn)的功能系統(tǒng)實現(xiàn)的功能完成某個算法完成某個算法具體方法：具體方法：復(fù)雜的運算復(fù)雜的運算子運算子運算1子運算子運算2子運算子運算N子運算子運算1-1子運算子運算1-216數(shù)字系統(tǒng)算法模型的特征：數(shù)字系統(tǒng)算法模型的特征：（1）、包含若干個子運算）、包含若干個子運算（2）、具有相應(yīng)的控制序列）、具有相應(yīng)的控制序列例、串行輸入序列例、串行輸入序列變化檢測變化檢測系統(tǒng)的算法模型系統(tǒng)的算法模型開始開始i=0，Z=0R1X（i）R2R1i=i+1R1X（i）比較比較R1、R2R1=R2？Z=1YZ=0NMAX17例、試求導(dǎo)從例、試求導(dǎo)從

10、m個個n位的二進制數(shù)中找出最大和最小值系統(tǒng)位的二進制數(shù)中找出最大和最小值系統(tǒng)的算法模型的算法模型第一步：確定實現(xiàn)系統(tǒng)所需模塊或要進行的基本操作（子運算）第一步：確定實現(xiàn)系統(tǒng)所需模塊或要進行的基本操作（子運算）模塊：模塊： 數(shù)據(jù)存儲器（數(shù)據(jù)存儲器（mn）、最大值存儲器）、最大值存儲器MAX（1n） 最小值存儲器最小值存儲器MIN（1n）、三個寄存器：）、三個寄存器：TEMP（ 1n）COMP1（1 1）、）、COMP2（1 1）以及）以及1個計數(shù)器。個計數(shù)器。運算：運算： 1、設(shè)計數(shù)器初值、設(shè)計數(shù)器初值 SET COUNT 2、讀數(shù)據(jù)、讀數(shù)據(jù) READ DATA 3、比較大小、比較大小 COMP

11、 4、數(shù)據(jù)交換。、數(shù)據(jù)交換。 EXCH DATA18開始開始SET COUNTREAD 1STCNT=CNT-1READ NEXTEXCH MAX結(jié)束結(jié)束CNT=0COMP MAXCOMP1=1YNCOMP MINCOMP2=1EXCH MINYNMAX19系統(tǒng)的算法模型系統(tǒng)的算法模型-數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的核心數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的核心獲得算法模型需要考慮的主要問題：獲得算法模型需要考慮的主要問題：（1）、如何將系統(tǒng)運算劃分為相對獨立又相互聯(lián)系的子運算）、如何將系統(tǒng)運算劃分為相對獨立又相互聯(lián)系的子運算（2）、各子運算間信息的流通）、各子運算間信息的流通（3）、如何有規(guī)則地控制各子運算）、如何有規(guī)則地控制各子

12、運算20v2.2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟 2.2.1 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計通常有以下幾個步驟：數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計通常有以下幾個步驟：1、系統(tǒng)邏輯功能的確定、系統(tǒng)邏輯功能的確定2、系統(tǒng)的描述、系統(tǒng)的描述3、算法的設(shè)計、算法的設(shè)計4、電路結(jié)構(gòu)的選擇、電路結(jié)構(gòu)的選擇5、電路的實現(xiàn)、電路的實現(xiàn)2122例、四位乘法電路的設(shè)計例、四位乘法電路的設(shè)計乘法電路乘法電路CAB448M01230123,bbbbBaaaaABAMMAbAbAbAbBA332211002222 1011 1101 1011 0000 1011 +1011 10001111 23ST

13、ARTi=0，M=0i=i+1A左移一位左移一位MA*bi+Mi=3ENDNY24控制器控制器CON=3計數(shù)器計數(shù)器模模=4MUXANDADDRM移位寄存器移位寄存器CP254位加法器4位加法器4位加法器4位加法器b0AM0M1M2M3M4M5M6M7b1Ab2Ab3A0000 1011 1101 1011 0000 1011 +1011 10001111 262.2.2 多級系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)多級系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)ABCDEFGHI27例、設(shè)計一個如圖所示最大公約數(shù)產(chǎn)生電路。圖中例、設(shè)計一個如圖所示最大公約數(shù)產(chǎn)生電路。圖中X、Y為為二進制正整數(shù)。二進制正整數(shù)。GCDXYG算法：算法：GCD（X，Y）=G

14、CD（X-Y，Y） XY12,815,612815684964463334328算法模型：算法模型：開始開始RXXRYYRX= RY結(jié)束結(jié)束RX= RGYRX RYND RY - RXRXDNDRX-RYRYDY29RX RYMRXN RYMRYN RXD=M-ND0MUX2-1D1 SD0MUX2-1D1 SM-N比較器比較器DRXRYMN30RGRYRX大數(shù)減小數(shù)大數(shù)減小數(shù)比較器比較器XYGD31數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計準則數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計準則4、最優(yōu)化設(shè)計、最優(yōu)化設(shè)計3、同步和異步電路、同步和異步電路2、系統(tǒng)的可觀測性、系統(tǒng)的可觀測性1、分割準則、分割準則用戶需求用戶需求系統(tǒng)功能和系統(tǒng)功能和技術(shù)指標

15、技術(shù)指標算法算法構(gòu)成系統(tǒng)框圖構(gòu)成系統(tǒng)框圖確定功能模塊確定功能模塊實現(xiàn)各功能模塊實現(xiàn)各功能模塊控制器設(shè)計控制器設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計過程數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計過程32v2.3 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法論數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法論2.3.1 自上而下的設(shè)計方法自上而下的設(shè)計方法 自頂向下是指將數(shù)字系統(tǒng)的自頂向下是指將數(shù)字系統(tǒng)的整體逐步分解為各個子系統(tǒng)和模整體逐步分解為各個子系統(tǒng)和模塊，若子系統(tǒng)規(guī)模較大，則還需塊，若子系統(tǒng)規(guī)模較大，則還需將子系統(tǒng)進一步分解為更小的子將子系統(tǒng)進一步分解為更小的子系統(tǒng)和模塊，層層分解，直至整系統(tǒng)和模塊，層層分解，直至整個系統(tǒng)中各子系統(tǒng)關(guān)系合理，并個系統(tǒng)中各子系統(tǒng)關(guān)系合理，并便于邏輯電路

16、級的設(shè)計和實現(xiàn)為便于邏輯電路級的設(shè)計和實現(xiàn)為止。止。 自上而下的設(shè)計方法是一種自上而下的設(shè)計方法是一種自頂向下，由抽象定義到具體實自頂向下，由抽象定義到具體實現(xiàn)，由高層次到低層次逐步轉(zhuǎn)換，現(xiàn)，由高層次到低層次逐步轉(zhuǎn)換，逐步求精的設(shè)計方法逐步求精的設(shè)計方法系統(tǒng)級描述系統(tǒng)級描述算法級描述算法級描述功能級描述功能級描述邏輯級描述邏輯級描述系統(tǒng)級描述系統(tǒng)級描述行為級描述行為級描述寄存器傳輸級描述寄存器傳輸級描述門級描述門級描述逐層分解功能逐層分解功能分層次進行設(shè)計分層次進行設(shè)計33優(yōu)點：優(yōu)點：模塊化設(shè)計模塊化設(shè)計 從上到下逐步由粗略到詳細，符合常規(guī)的邏輯思維習慣。從上到下逐步由粗略到詳細，符合常規(guī)的邏

17、輯思維習慣。 高層設(shè)計同器件無關(guān)，設(shè)計易于在各種集成電路工藝或可高層設(shè)計同器件無關(guān)，設(shè)計易于在各種集成電路工藝或可編程器件之間移植。編程器件之間移植。 適合多個設(shè)汁者同時進行設(shè)計。用系統(tǒng)工程方法對設(shè)計適合多個設(shè)汁者同時進行設(shè)計。用系統(tǒng)工程方法對設(shè)計任務(wù)進行合理分配，對設(shè)計進行管理。任務(wù)進行合理分配，對設(shè)計進行管理。易實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計易實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計 注意事項：注意事項：上級到下級轉(zhuǎn)換的準確性上級到下級轉(zhuǎn)換的準確性功能防真功能防真時序防真時序防真342.3.2 自下而上的設(shè)計方法自下而上的設(shè)計方法從現(xiàn)成的數(shù)字期間或子系統(tǒng)出發(fā)，根據(jù)用戶的需求，對現(xiàn)有的從現(xiàn)成的數(shù)字期間或子系統(tǒng)出發(fā)，根據(jù)用戶的需求，對

18、現(xiàn)有的器件或子系統(tǒng)進行修改、擴大及相互連接，構(gòu)成新的系統(tǒng)。器件或子系統(tǒng)進行修改、擴大及相互連接，構(gòu)成新的系統(tǒng)。例、用半加器構(gòu)成全加器例、用半加器構(gòu)成全加器HAABCSHAABCSHAABCS1CiSABC i-1 35要求：必須有一定的經(jīng)驗要求：必須有一定的經(jīng)驗優(yōu)點：優(yōu)點：1、設(shè)計時間短，設(shè)計成本低。、設(shè)計時間短，設(shè)計成本低。 2、可以充分利用已有的設(shè)計成果。、可以充分利用已有的設(shè)計成果。缺點：很難保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。缺點：很難保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化。 自上而下自上而下/自下而上兩種設(shè)計方法的選擇和組合沒有嚴自下而上兩種設(shè)計方法的選擇和組合沒有嚴格的規(guī)則可以遵循。視需要而定格的規(guī)則可以遵循。視

19、需要而定362.3.3 自關(guān)鍵部件開始設(shè)計自關(guān)鍵部件開始設(shè)計 找出待設(shè)計系統(tǒng)中，決定整個系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵找出待設(shè)計系統(tǒng)中，決定整個系統(tǒng)性能和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵或核心部件?；蚝诵牟考＠⒃O(shè)計一個復(fù)數(shù)乘法運算電路。例、設(shè)計一個復(fù)數(shù)乘法運算電路。)()(riiriirririrbabajbabaBAMjbbBjaaA+rarbiaibMRMI這種設(shè)計方法實際上是前面這種設(shè)計方法實際上是前面兩種方法的結(jié)合和變形。兩種方法的結(jié)合和變形。372.3.4 系統(tǒng)信息流驅(qū)動設(shè)計系統(tǒng)信息流驅(qū)動設(shè)計數(shù)據(jù)處理單元數(shù)據(jù)處理單元控制單元控制單元待處理數(shù)據(jù)輸入待處理數(shù)據(jù)輸入處理后數(shù)據(jù)輸出處理后數(shù)據(jù)輸出控制序列信號控制序列信號

20、反饋應(yīng)答信號反饋應(yīng)答信號外輸入控制信號外輸入控制信號控制信號輸出控制信號輸出CLK控控 制制 流流數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 流流以待處理的數(shù)據(jù)為中心以待處理的數(shù)據(jù)為中心以系統(tǒng)控制過程為中心以系統(tǒng)控制過程為中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)流驅(qū)動設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)流驅(qū)動設(shè)計系統(tǒng)控制流驅(qū)動設(shè)計系統(tǒng)控制流驅(qū)動設(shè)計381、系統(tǒng)數(shù)據(jù)流驅(qū)動設(shè)計、系統(tǒng)數(shù)據(jù)流驅(qū)動設(shè)計 依據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，分析待處理數(shù)據(jù)所需進行的變換或依據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，分析待處理數(shù)據(jù)所需進行的變換或運算以數(shù)據(jù)的流程推動系統(tǒng)設(shè)計的進行。運算以數(shù)據(jù)的流程推動系統(tǒng)設(shè)計的進行。例、設(shè)計一如圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖中例、設(shè)計一如圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖中M1-M8為為8路模擬輸入。路模擬輸入。N1、N2

21、兩路兩路8位數(shù)字量，位數(shù)字量，OUT為系統(tǒng)串行輸出（為系統(tǒng)串行輸出（Ai、N1、N28*3串行組成），每串行組成），每0.1秒輸出一條記錄。秒輸出一條記錄。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)M1M8N1N2OUT1：MiAi A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換2：同時轉(zhuǎn)換：同時轉(zhuǎn)換/逐個轉(zhuǎn)換逐個轉(zhuǎn)換3：如何有序輸出：如何有序輸出 8位位3選選1 MUX 8位位 并行并行/串行轉(zhuǎn)換串行轉(zhuǎn)換398選選1模擬模擬開關(guān)開關(guān)A/D8位位MUXP/S控制單元控制單元MiMiAiN1N2OUT地址地址控制控制數(shù)字采集系統(tǒng)邏輯框圖數(shù)字采集系統(tǒng)邏輯框圖402、系統(tǒng)控制流驅(qū)動設(shè)計、系統(tǒng)控制流驅(qū)動設(shè)計 從用戶要求出發(fā)，由應(yīng)該實施的控制過程入手，

22、確定系從用戶要求出發(fā)，由應(yīng)該實施的控制過程入手，確定系統(tǒng)的控制流程，然后依據(jù)控制的要求及信號的格式，逐步導(dǎo)統(tǒng)的控制流程，然后依據(jù)控制的要求及信號的格式，逐步導(dǎo)出系統(tǒng)電路的實施方案。出系統(tǒng)電路的實施方案。例、設(shè)計一發(fā)電機自動發(fā)電控制系統(tǒng)。例、設(shè)計一發(fā)電機自動發(fā)電控制系統(tǒng)。 控制過程：市電停電后自動啟動，啟動兩分鐘后檢測發(fā)電控制過程：市電停電后自動啟動，啟動兩分鐘后檢測發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是否正常，不正常告警，正常則進入正常發(fā)電階段。機的轉(zhuǎn)速是否正常，不正常告警，正常則進入正常發(fā)電階段。此時，不斷檢測轉(zhuǎn)速和電壓，以此調(diào)整油量；如果轉(zhuǎn)速此時，不斷檢測轉(zhuǎn)速和電壓，以此調(diào)整油量；如果轉(zhuǎn)速/電壓電壓超出一定的范圍

23、，告警并超出一定的范圍，告警并1分鐘停機。分鐘停機。 41開始開始停電停電發(fā)啟動信號發(fā)啟動信號2 min？測量轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速告警告警合格合格調(diào)整油量調(diào)整油量轉(zhuǎn)速電壓合格？轉(zhuǎn)速電壓合格？告警告警3min？停機停機2 min？YNYNYNNYYNYNIN1OUT1A/D IN2OUT2OUT3 D/AOUT442v2.4 數(shù)字系統(tǒng)算法的設(shè)計及算法的結(jié)構(gòu)數(shù)字系統(tǒng)算法的設(shè)計及算法的結(jié)構(gòu)2.4.1算法設(shè)計算法設(shè)計 1、算法推導(dǎo)考慮的主要因素、算法推導(dǎo)考慮的主要因素邏輯指標邏輯指標非邏輯指標非邏輯指標最重要的指標，表達系統(tǒng)必須完成的邏輯功能最重要的指標，表達系統(tǒng)必須完成的邏輯功能邏輯功能以外的邏輯功能以外的

24、其他非邏輯約束其他非邏輯約束條件條件工作速度工作速度可靠性可靠性系統(tǒng)資源大小系統(tǒng)資源大小系統(tǒng)成本系統(tǒng)成本43例、例、4位乘法器的另一算法（累加法）位乘法器的另一算法（累加法）RA=ARB=BRM=0RA/RB=0RM=RM+RARB=RB-1RB=0開始開始結(jié)束結(jié)束遞減計數(shù)器遞減計數(shù)器比較器比較器累加器累加器寄存器寄存器COUNTRMAdder 8COMP 0CPBA884844兩種算法比較：兩種算法比較：移位累加移位累加直接累加直接累加邏輯功能邏輯功能相同相同運算速度運算速度快快慢慢硬件開銷硬件開銷多多少少價格價格高高低低2、硬件結(jié)構(gòu)對算法的影響、硬件結(jié)構(gòu)對算法的影響、對于不同規(guī)模、不同性質(zhì)

25、的器件，采用不同的算法設(shè)計、對于不同規(guī)模、不同性質(zhì)的器件，采用不同的算法設(shè)計對策。對策。、系統(tǒng)算法與硬件結(jié)構(gòu)必須有很好的對應(yīng)性，即可實現(xiàn)性、系統(tǒng)算法與硬件結(jié)構(gòu)必須有很好的對應(yīng)性，即可實現(xiàn)性45算法設(shè)計的典型方法：跟蹤法、歸納法、劃分法、解析法、算法設(shè)計的典型方法：跟蹤法、歸納法、劃分法、解析法、 綜合法。綜合法。跟蹤法跟蹤法按照已確定的系統(tǒng)功能，由控制要求或數(shù)據(jù)處理要求逐步按照已確定的系統(tǒng)功能，由控制要求或數(shù)據(jù)處理要求逐步細化、具體化，從而導(dǎo)出系統(tǒng)的算法。細化、具體化，從而導(dǎo)出系統(tǒng)的算法。例如：例如：發(fā)電機控制系統(tǒng)算法發(fā)電機控制系統(tǒng)算法跟蹤控制要求跟蹤控制要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)算法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)算法跟

26、蹤數(shù)據(jù)要求跟蹤數(shù)據(jù)要求數(shù)字密碼鎖、交通控制系統(tǒng)等數(shù)字密碼鎖、交通控制系統(tǒng)等46歸納法歸納法將比較抽象的設(shè)計要求具體化，然后再進行一般規(guī)律的歸納將比較抽象的設(shè)計要求具體化，然后再進行一般規(guī)律的歸納由此導(dǎo)出系統(tǒng)算法。由此導(dǎo)出系統(tǒng)算法。具體做法：首先假設(shè)一組特定的數(shù)據(jù)從解決具體數(shù)據(jù)處理和具體做法：首先假設(shè)一組特定的數(shù)據(jù)從解決具體數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)變換入手，從中發(fā)現(xiàn)普遍規(guī)律，最后求導(dǎo)出待設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)變換入手，從中發(fā)現(xiàn)普遍規(guī)律，最后求導(dǎo)出待設(shè)計系統(tǒng)的算法的算法例如：例如：4位乘法器的算法設(shè)計位乘法器的算法設(shè)計例、設(shè)計一個順序排序電路例、設(shè)計一個順序排序電路AWRAMDSTARTREADYOUTDONE12n

27、47開始開始READY=1，R=0STARTi=1，READY=0j=2，READY=1DiR(j)R(j-1)=R(j)R(n)=Dij=nj=j+1R(j-1)=Dii=ni=i+1,READY=0結(jié)束結(jié)束NYYNYN假設(shè)輸入一組數(shù)據(jù)假設(shè)輸入一組數(shù)據(jù)(n=6)：4，6，5，3，8，9。歸納出算法。歸納出算法。48劃分法劃分法把一個運算比較復(fù)雜的系統(tǒng)劃分成為一系列簡單的運算，然后把一個運算比較復(fù)雜的系統(tǒng)劃分成為一系列簡單的運算，然后通過基本的運算和基本邏輯運算來完成。通過基本的運算和基本邏輯運算來完成。例、導(dǎo)出實現(xiàn)例、導(dǎo)出實現(xiàn)Z=（A-B）（C+D）的算法流程。）的算法流程。開始開始Ra=A

28、，Rb=BRc=C，Rd=DR1=（Ra-Rb）R2=（Rc+Rd）Rz=R1R2結(jié)束結(jié)束49例、例、8位帶符號位的二進制數(shù)的補碼變換器位帶符號位的二進制數(shù)的補碼變換器A=asa6a5a4a3a2a1a0B=bsb6b5b4b3b2b1b0as、bs：符號位：符號位正數(shù)：符號位、數(shù)據(jù)位均不變，即正數(shù)：符號位、數(shù)據(jù)位均不變，即A=B負數(shù)：符號位不變，數(shù)據(jù)位進行補碼變換，即數(shù)據(jù)位取反負數(shù)：符號位不變，數(shù)據(jù)位進行補碼變換，即數(shù)據(jù)位取反 加加1。補碼變換器補碼變換器判別正負判別正負寄存寄存求反求反加加150開始開始WAITDONE=1STARTb6b5b4b3b2b1b0=C+1NasYA=BN012

29、3456aaaaaaaCY51解析法解析法對于一些難以劃分（分解）的計算，往往采用數(shù)學解析的對于一些難以劃分（分解）的計算，往往采用數(shù)學解析的方法進行算法設(shè)計。方法進行算法設(shè)計。例、設(shè)計一個求平方根電路。例、設(shè)計一個求平方根電路。xy 牛頓逐次逼近法：牛頓逐次逼近法：2001yxyy序號序號y0 x/y0y0+x/y0（y0+x/y0）/201342121.53.51.7521.751.7143.4641.732131.73211.732003.46411.7320552開始開始讀讀x，y=y0 w=x/yu=(y+w)/2u-yEy=u結(jié)束結(jié)束53綜合法綜合法以上幾種方法結(jié)合起來運用。逐步推

30、導(dǎo)獲得最后的算法。以上幾種方法結(jié)合起來運用。逐步推導(dǎo)獲得最后的算法。542.4.2 算法的結(jié)構(gòu)算法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的運算復(fù)雜的運算子運算子運算1子運算子運算2子運算子運算N子運算子運算1-1子運算子運算1-2算法的結(jié)構(gòu)：討論各個子運算之間的執(zhí)行方法和次序算法的結(jié)構(gòu)：討論各個子運算之間的執(zhí)行方法和次序常用結(jié)構(gòu)：常用結(jié)構(gòu)：順序算法結(jié)構(gòu)、并行算法結(jié)構(gòu)、流水線算法結(jié)構(gòu)順序算法結(jié)構(gòu)、并行算法結(jié)構(gòu)、流水線算法結(jié)構(gòu)55順序算法結(jié)構(gòu)順序算法結(jié)構(gòu)在執(zhí)行算法的過程中，某一時間內(nèi)只進行一個子運算。在執(zhí)行算法的過程中，某一時間內(nèi)只進行一個子運算。各個子運算間按規(guī)定的次序逐個依次進行。各個子運算間按規(guī)定的次序逐個依次進行。P2P1P5P4P3P2P1t0