《數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)》cha

第8章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)【課前思考】【學(xué)習(xí)指南】8.1 數(shù)字系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法8.2 交通燈控制器設(shè)計(jì)8.3 求最大值電路的設(shè)計(jì)8.4 數(shù)字系統(tǒng)中某些技術(shù)細(xì)節(jié)【本章小結(jié)】2008.121編輯ppt8.1 數(shù)字系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法數(shù)字系統(tǒng)（digitalsystem）指規(guī)模較大、能完成一個(gè)完整任務(wù)的時(shí)序電路。層次化的設(shè)計(jì)方法:把一個(gè)大系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，待各個(gè)子系統(tǒng)完成之后，再綜合為整個(gè)系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)分解：數(shù)據(jù)通路（datapath）：實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)的部件，由寄存器、多路器和運(yùn)算部件等組成。控制器（controller）:向數(shù)據(jù)通路發(fā)出節(jié)拍和控制命令的部件，指導(dǎo)數(shù)據(jù)通路進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎酝瓿芍付ǖ娜蝿?wù)。

控制器中的狀態(tài)個(gè)數(shù)比較少，容易描述和設(shè)計(jì)。2008.122編輯ppt數(shù)字系統(tǒng)的分解2008.123編輯pptASM圖的擴(kuò)展給判別框增加一個(gè)多分支框：對(duì)操作和給輸出信號(hào)賦值不加區(qū)分，一律看作操作。畫(huà)ASM圖時(shí)集中精力關(guān)注兩件事：在當(dāng)前狀態(tài)和和當(dāng)前輸入的條件下，要執(zhí)行什么操作和即將轉(zhuǎn)入哪一個(gè)次態(tài)。狀態(tài)表的擴(kuò)展：在狀態(tài)表中允許使用條件語(yǔ)句，以便能更簡(jiǎn)潔地描述相應(yīng)的操作和狀態(tài)轉(zhuǎn)換。2008.124編輯ppt8.2 交通燈控制器設(shè)計(jì)例8.12008.125編輯ppt交通燈控制器設(shè)計(jì)（續(xù)）輸入信號(hào)：異步復(fù)位信號(hào)reset：reset=0強(qiáng)制進(jìn)入初始狀態(tài)st0，主路綠燈亮，輔路紅燈亮。時(shí)鐘信號(hào)clk：同步時(shí)序電路的激勵(lì)信號(hào)。檢測(cè)器信號(hào)check：check=1表示輔路上有車輛等候。輸出信號(hào)：主路交通指示燈的控制信號(hào)HL(0..2)：HL(0),HL(1),HL(2)分別控制主路上綠燈、黃燈和紅燈的亮滅。輔路交通指示燈的控制信號(hào)FL(0..2)：FL(0),FL(1),FL(2)分別控制輔路上綠燈、黃燈和紅燈的亮滅。2008.126編輯ppt技術(shù)要求和工作狀態(tài)分析時(shí)間參數(shù)long_time和short_time：本例設(shè)定long_time等于10個(gè)時(shí)鐘周期，short_time等于3個(gè)時(shí)鐘周期。初始狀態(tài)st0：主路綠燈亮（HL(0..2)=100），輔路紅燈亮（FL(0..2)=001）。當(dāng)前狀態(tài)為st0的情況下，若輔路上有車等候（check=1）且st0的持續(xù)期超過(guò)long_time，轉(zhuǎn)入st1。st1是一個(gè)短暫停留的狀態(tài)：主路黃燈亮（HL(0..2)=010），輔路保持紅燈亮（FL(0..2)=001）。當(dāng)st1的持續(xù)期超過(guò)short_time時(shí)，轉(zhuǎn)入st2。狀態(tài)st2：主路紅燈亮（HL(0..2)=001），輔路綠燈亮（FL(0..2)=100）。當(dāng)st2的持續(xù)期超過(guò)long_time或輔路上無(wú)車等候（check=0）時(shí)，轉(zhuǎn)入st3。st3也是一個(gè)短暫停留的狀態(tài)：主路保持紅燈亮（HL(0..2)=001），輔路黃燈亮（FL(0..2)=010）。當(dāng)st3的持續(xù)期超過(guò)short_time時(shí)，轉(zhuǎn)入st0。2008.127編輯ppt交通燈控制器的電路分解為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將交通燈控制器的電路結(jié)構(gòu)分解為2部分：計(jì)時(shí)器Timer：把Timer當(dāng)作一個(gè)執(zhí)行部件?？刂破鰿ontroller：向Timer發(fā)出啟動(dòng)命令并接受Timer的反饋信號(hào)2008.128編輯pptController和Timer之間的相互作用start_timer：Controller向Timer發(fā)出的啟動(dòng)命令。T_enable：Timer接到啟動(dòng)命令之后，令T_enable=1，控制Timer從0開(kāi)始增1計(jì)數(shù)；T_enable也作為向Controller的反饋信號(hào)。start_timer和T_enable是Controller和Timer之間的應(yīng)答信號(hào)。計(jì)時(shí)器的其它反饋信號(hào)：Timer的計(jì)數(shù)值達(dá)到short_time時(shí)，令short=1，計(jì)時(shí)器Timer的計(jì)數(shù)值達(dá)到long_time時(shí)，令long=1，同時(shí)令T_enable=0，Timer停止計(jì)數(shù)。2008.129編輯ppt交通燈控制器的ASM圖2008.1210編輯ppt交通燈控制器的狀態(tài)表2008.1211編輯ppt交通燈控制器的狀態(tài)表（續(xù)）2008.1212編輯ppt交通燈控制器的VHDL描述--以上為自定義程序包2008.1213編輯ppt交通燈控制器的VHDL描述（續(xù)）2008.1214編輯ppt交通燈控制器的VHDL描述（續(xù)）2008.1215編輯ppt交通燈控制器的VHDL描述（續(xù)）2008.1216編輯ppt交通燈控制器的VHDL描述（續(xù)）2008.1217編輯ppt交通燈控制器的VHDL描述（續(xù)）2008.1218編輯ppt交通燈控制器的VHDL描述（續(xù)）2008.1219編輯ppt交通燈控制器的模擬波形VHDL代碼提交QuartusⅡ編譯模擬2008.1220編輯ppt交通燈控制器的模擬波形（續(xù)）

模擬波形與預(yù)期相符2008.1221編輯ppt8.3 求最大值電路的設(shè)計(jì)輸入信號(hào)：異步復(fù)位信號(hào)reset；時(shí)鐘信號(hào)clk：用于采樣輸入數(shù)據(jù)并作為同步時(shí)序電路的激勵(lì)信號(hào)。啟動(dòng)信號(hào)start：start=1令電路開(kāi)始工作。數(shù)據(jù)輸入信號(hào)data(7..0)：字長(zhǎng)8比特的無(wú)符號(hào)二進(jìn)制整數(shù)。其中第1個(gè)數(shù)據(jù)是被比較數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)n；后續(xù)的n個(gè)數(shù)據(jù)是被比較的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)有效信號(hào)valid：valid=1表明當(dāng)前的輸入數(shù)據(jù)有效。輸出信號(hào)：maxv(7..0)：被比較的n個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值。done：done=1表示比較完畢，此時(shí)的maxv有效。例8.22008.1222編輯ppt求最大值電路的設(shè)計(jì)（續(xù)）解題思路： 選擇高頻的時(shí)鐘信號(hào)用于采樣，即時(shí)鐘信號(hào)clk的周期相對(duì)于輸入數(shù)據(jù)的變化要短很多。2008.1223編輯ppt電路分解2008.1224編輯ppt電路分解（續(xù)）控制器（controller）：控制器向數(shù)據(jù)通路發(fā)出控制信號(hào)并接受數(shù)據(jù)通路的反饋信號(hào)。數(shù)據(jù)通路（datapath）：數(shù)據(jù)通路中包含必要的部件以實(shí)現(xiàn)所要求的操作。寄存器A：用于保存迄今為止輸入數(shù)據(jù)中的最大值。寄存器B：用于保存來(lái)自data的數(shù)據(jù)。比較器：將寄存器A與寄存器B的數(shù)值相比較，將其中數(shù)值大者存入A。減計(jì)數(shù)器counter：首先接受從data送來(lái)的數(shù)據(jù)n；此后每進(jìn)行一次數(shù)據(jù)比較，counter減1；當(dāng)counter=0時(shí)，數(shù)據(jù)比較執(zhí)行完畢，令done=1。2008.1225編輯ppt求最大值電路的狀態(tài)表2008.1226編輯ppt求最大值電路的狀態(tài)表（續(xù)）2008.1227編輯pptVHDL代碼2008.1228編輯pptVHDL代碼（續(xù)）2008.1229編輯pptVHDL代碼（續(xù)）2008.1230編輯pptVHDL代碼（續(xù)）2008.1231編輯pptVHDL代碼（續(xù)）2008.1232編輯pptVHDL代碼（續(xù)）2008.1233編輯pptVHDL代碼（續(xù)）2008.1234編輯pptVHDL代碼（續(xù)）2008.1235編輯ppt模擬波形上述功能模擬波形和預(yù)期相符，但不夠充分。2008.1236編輯ppt8.4 數(shù)字系統(tǒng)中某些技術(shù)細(xì)節(jié)--細(xì)節(jié)也不可忽視--2008.1237編輯ppt減少時(shí)鐘偏移的布線網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘偏移會(huì)降低寄存器工作的可靠性?？删幊唐骷杏幸粋€(gè)或數(shù)個(gè)稱作全局時(shí)鐘（globalclock）的輸入引腳；從該引腳接入的時(shí)鐘信號(hào)可以到達(dá)芯片中所有觸發(fā)器的時(shí)鐘端，并且采取措施將時(shí)鐘偏移降低到最小。左圖中標(biāo)有ff的結(jié)點(diǎn)表示觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端（省略了觸發(fā)器的符號(hào)）。從芯片的全局時(shí)鐘引腳到達(dá)每個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘端，經(jīng)歷的緩沖器的個(gè)數(shù)以及連線長(zhǎng)度都相同，從而達(dá)到時(shí)鐘信號(hào)偏移最小。2008.1238編輯ppt觸發(fā)器的異步輸入在同步時(shí)序電路內(nèi)部所有觸發(fā)器共享同一時(shí)鐘脈沖。如果不考慮時(shí)鐘偏移的話，所有觸發(fā)器幾乎在同一時(shí)刻轉(zhuǎn)換狀態(tài)。只要時(shí)鐘周期足夠長(zhǎng)，電路會(huì)可靠地工作。在兩個(gè)電路的接口處，來(lái)自另一個(gè)電路的數(shù)據(jù)輸入和本電路的時(shí)鐘信號(hào)不一定呈同步關(guān)系。很難滿足觸發(fā)器關(guān)于建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求。當(dāng)觸發(fā)器的建立時(shí)間或保持時(shí)間得不到滿足時(shí)，觸發(fā)器的輸出電平有可能停留在既非高電平、又非低電平的狀態(tài)，被稱為亞穩(wěn)定狀態(tài)（metastablestate）。亞穩(wěn)定狀態(tài)不可能持久，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，最終會(huì)轉(zhuǎn)變到某一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)（狀態(tài)0或狀態(tài)1）。觸發(fā)器處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間是不確定的，為此需要找到一個(gè)解決方案。2008.1239編輯ppt觸發(fā)器異步輸入的解決方案異步輸入的數(shù)據(jù)data連接到DFF1的數(shù)據(jù)輸入端D1，DFF1的輸出端Q1連接到DFF2的數(shù)據(jù)輸入端D2，DFF1和DFF2連接成移位寄存器。由于data和clock是異步關(guān)系，所以Q1可能進(jìn)入亞穩(wěn)定狀態(tài)；如果clock的周期足夠長(zhǎng)，則在clock下一個(gè)有效邊沿到來(lái)之前，Q1會(huì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。DFF2的輸出Q2不會(huì)進(jìn)入亞穩(wěn)定狀態(tài)，可以安全地連接到本電路的其它部分。此方案的后果：電路其它部分使用輸入數(shù)據(jù)data時(shí)，會(huì)導(dǎo)入1個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。2008.1