數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì) -控制器與Rom

1ZDMCROMStructureSimilartoaPLAstructurebutwithafullydecodedANDarrayCompletelyflexibleORarray(unlikePAL)naddresslines???inputsdecoder2nword

lines???outputsmemory

array

(2nwords

bymbits)mdatalines復(fù)習(xí)2ZDMCSARMGeneralMemoryOperation

(StaticRandom-AccessMemory)復(fù)習(xí)3ZDMCStaticRAMCell(靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器單元)

Random-AccessMemoryReadoperation:1.Selectrow2.Cellpullsonelinelowandonehigh3.SenseoutputonbitandbitWriteoperation:1.Drivebitlines(e.g,bit=1,bit=0)2.SelectrowWhydoesthiswork?Whenonebit-lineislow,itwillforceoutputhigh;thatwillsetnewstate6-TransistorSRAMCellbitbitword(rowselect)1001復(fù)習(xí)4ZDMC二、SRAM的存儲(chǔ)單元六管N溝道增強(qiáng)型MOS管復(fù)習(xí)5ZDMCA B C F

0 0 0 1

0 0 1 0

0 1 0 1

0 1 1 0

1 0 0 0

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1 1 1 1C'

C'

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71

0

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0

0

0

1

1S28:1MUXS1S0MultiplexersasLUTs(cont’d)2n-1:1muxcanimplementanyfunctionofnvariablesWithn-1variablesusedascontrolinputsandDatainputstiedtothelastvariableoritscomplementExample:F(A,B,C)=m0+m2+m6+m7

=A'B'C'+A'BC'+ABC'+ABC

=A'B'(C')+A'B(C')+AB'(0)+AB(1)復(fù)習(xí)6ZDMCGeneralization

Example:F(A,B,C,D)implementedbyan8:1MUXn-1muxcontrol

variablessinglemuxdata

variablefourpossibleconfigurations

oftruthtablerowscanbeexpressed

asafunctionofInchooseA,B,Cascontrolvariables

multiplexerimplementationI0 I1 ... In-1 In F

. . . . 0 0 0

1

1

. . . . 1 0 1

0

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0 In In' 1CAB0

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D

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D’S28:1MUXS1S01 01 01 10 0DA1 10 10 11 0BCMultiplexersasLUTs(cont’d)復(fù)習(xí)ZDMC控制器May3,

20168ZDMC數(shù)字系統(tǒng)中控制單元和數(shù)據(jù)通道單元的關(guān)系數(shù)據(jù)通道單元的所有微操作都是由控制單元啟動(dòng)，產(chǎn)生微操作控制序列信號(hào)的控制單元是一個(gè)時(shí)序電路，它的各種狀態(tài)(指內(nèi)部狀態(tài))表示系統(tǒng)的各個(gè)控制功能?？刂茊卧菫閱?dòng)數(shù)字系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理器的微操作提供控制信號(hào)時(shí)間序列的。控制單元數(shù)據(jù)通道單元輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入信號(hào)（外部）控制信號(hào)狀態(tài)信號(hào)9ZDMC控制器設(shè)計(jì)方法控制器是一個(gè)時(shí)序電路，完全可以按時(shí)序電路的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。寄存器傳送方法基礎(chǔ)上的。一般有下述四種方法：每個(gè)狀態(tài)一個(gè)觸發(fā)器（one-hot）；序列寄存器―譯碼器法；PLA控制法；微程序控制法；10ZDMC狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī)是指按有序方式遍歷預(yù)先確定的狀態(tài)序列的數(shù)字邏輯功能電路。狀態(tài)機(jī)是組合邏輯和寄存器邏輯的特殊組合，它包括兩個(gè)主要部分：即組合邏輯部分和寄存器部分。寄存器用于存儲(chǔ)狀態(tài)機(jī)內(nèi)部狀態(tài)；組合邏輯部分又可分為狀態(tài)譯碼器和輸出譯碼器，狀態(tài)譯碼器確定狀態(tài)機(jī)的下一個(gè)狀態(tài)，即確定狀態(tài)機(jī)的激勵(lì)方程，輸出譯碼器確定狀態(tài)機(jī)的輸出，即確定狀態(tài)機(jī)的輸出方程。11ZDMC狀態(tài)機(jī)主要完成兩種基本操作狀態(tài)機(jī)內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換。遍歷某一確定的狀態(tài)序列，其中次態(tài)由次態(tài)譯碼器根據(jù)現(xiàn)態(tài)和輸入條件來確定。根據(jù)狀態(tài)變化(稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移)產(chǎn)生輸出信號(hào)。輸出譯碼器根據(jù)現(xiàn)態(tài)和輸入條件可確定輸出信號(hào)。狀態(tài)機(jī)有三種表示方法：狀態(tài)圖狀態(tài)表流程圖12ZDMC狀態(tài)機(jī)的兩種基本類型Mealy狀態(tài)機(jī)和Moore狀態(tài)機(jī)。13ZDMC輸出加入寄存器消除毛刺對(duì)輸出加入寄存器是一個(gè)行之有效的方法。通過在時(shí)鐘邊沿取樣輸出信號(hào)，可以極大地消除毛刺帶來的影響。14ZDMCStateElements15ZDMCFiniteStateMachines16ZDMCendcase17ZDMC算法流程圖AlgorithmicStateMachineChart，ASMASM圖用來描述控制器不同時(shí)間內(nèi)應(yīng)完成的一系列操作，指出控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件以及控制器的輸出。ASM圖又稱為算法狀態(tài)機(jī)圖，它用符合來表示系統(tǒng)的時(shí)序操作，類似于流程圖的形式，但又不同于流程圖。ASM圖中不僅反映了工作順序，而且還表明了控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序。

18ZDMCASM圖中采用的符號(hào)和規(guī)則ASM圖：狀態(tài)框數(shù)字系統(tǒng)控制序列中的狀態(tài)用狀態(tài)框表示，狀態(tài)框的形狀是一個(gè)矩形，框內(nèi)標(biāo)出在此狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)的寄存器傳輸操作或輸出輸出，狀態(tài)的名稱置于狀態(tài)框的左上角，分配給狀態(tài)的二進(jìn)制代碼置于狀態(tài)框的右上角。19ZDMC判斷框菱形框內(nèi)填寫條件變量的判斷條件，經(jīng)判斷框后狀態(tài)轉(zhuǎn)移出現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)分支，如圖7.6中(a)所示。若條件是真，選定一個(gè)分支，若條件是假，選定另一個(gè)分支。圖7.6(b)是由兩個(gè)判斷框構(gòu)成ASM圖的實(shí)例。20ZDMC條件框條件框的形狀為橢圓形，框內(nèi)填寫數(shù)據(jù)子系統(tǒng)進(jìn)行的條件操作，框外填寫必需的條件輸出，條件框的輸入通道必定來自判斷框的分支，即條件框的操作或輸出必須是在同時(shí)滿足狀態(tài)與條件的情況下才進(jìn)行。如圖8.7(b)所示。當(dāng)系統(tǒng)處于狀態(tài)S1時(shí)，如果條件X1=0，那么CLR被清“0”，否則CLR保持不變，同時(shí)不論X1為何值，系統(tǒng)的下一狀態(tài)都是S2。21ZDMCASM圖的時(shí)間劃分ASM塊描述了一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)系統(tǒng)的工作情況，它包括數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和控制器兩個(gè)方面，即在當(dāng)前狀態(tài)及條件下，數(shù)據(jù)子系統(tǒng)所完成的各種操作以及控制器轉(zhuǎn)換的后續(xù)狀態(tài)。所有的操作和狀態(tài)轉(zhuǎn)換都發(fā)生在時(shí)鐘的同一個(gè)跳變邊沿。所以ASM圖是按時(shí)鐘的節(jié)拍描述整個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的操作。系統(tǒng)的主時(shí)鐘不僅作用到數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的寄存器上，而且也作用到控制器的觸發(fā)器上。22ZDMC4位移位寄存器的ASM圖中A是一個(gè)四位移位寄存器，同步清零和移位置數(shù)，其中A3為A的最高位，RUN為外部輸入的異步變量，LODA為移位置數(shù)變量，它為條件輸出即LODA=S1·A3·RUN。注意A0A1A2A3(順序)

23ZDMC4位移位寄存器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)機(jī)現(xiàn)態(tài)條件變量移位寄存器內(nèi)容狀態(tài)機(jī)次態(tài)A3RUNA0A1A2A3S0??0000S1S10?1000S1S10?1100S1S10?1110S1S10?1111S1S1101111S0S0??0000S1S1111111S2S2??1010S024ZDMCASM圖的建立原則流程圖中的工作塊基本上對(duì)應(yīng)了ASM圖中的狀態(tài)框。但如果工作塊的操作不能在一個(gè)CP內(nèi)同時(shí)進(jìn)行，在ASM圖中就必須將其分為幾個(gè)狀態(tài)框，在這幾個(gè)狀態(tài)之間實(shí)現(xiàn)無條件轉(zhuǎn)移。流程圖中的判斷塊基本上對(duì)應(yīng)了ASM圖中的判斷框。如果判斷條件是上個(gè)操作的結(jié)果，那么在ASM圖中應(yīng)在此判斷框前增加一個(gè)狀態(tài)框。如果不增加一個(gè)狀態(tài)框，則判斷條件對(duì)應(yīng)于前一個(gè)CP的工作塊的操作結(jié)果。

在ASM圖的最上層加一個(gè)起始狀態(tài)。25ZDMC例1串行數(shù)據(jù)序列是每個(gè)時(shí)鐘周期傳送一個(gè)數(shù)據(jù)0或1的數(shù)據(jù)流。設(shè)x為輸入的串行數(shù)據(jù)序列。當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)所需的010數(shù)據(jù)時(shí)，使檢測(cè)器的輸出Z為1。試畫出其ASM圖。26ZDMC例2某計(jì)數(shù)器型控制器的ASM圖,請(qǐng)根據(jù)圖中的狀態(tài)分配設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的電路。系統(tǒng)有一個(gè)外輸入X，兩個(gè)輸出命令Z1和Z2，三個(gè)狀態(tài)S0、S1和S2，即需要兩個(gè)觸發(fā)器來設(shè)置兩個(gè)狀態(tài)變量Q1Q2。觸發(fā)器可采用JK型或D型觸發(fā)器，此處采用D型觸發(fā)器。27ZDMC狀態(tài)轉(zhuǎn)換表現(xiàn)態(tài)次態(tài)轉(zhuǎn)換條件Q2Q1XQ2n+1Q1n+1Z2Z10001011001110101?000010?000011?0000該表為簡化狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，因?yàn)?0和11狀態(tài)與輸入X無關(guān)，所以對(duì)應(yīng)于該兩行X值可作為任意項(xiàng)?處理。設(shè)0l的次態(tài)為00，以保證一旦出現(xiàn)0l狀態(tài)后（電路自啟動(dòng)），經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期可以自動(dòng)回到有用狀態(tài)循環(huán)。觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程：

輸出方程：

28ZDMC狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用問題進(jìn)行分析和歸納，以確定控制系統(tǒng)的任務(wù)以及要實(shí)現(xiàn)的功能。列出采用的狀態(tài)機(jī)全部可能的狀態(tài)，并對(duì)每一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)編碼及定義相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。根據(jù)狀態(tài)圖(或把狀態(tài)圖轉(zhuǎn)化為狀態(tài)表，并對(duì)狀態(tài)圖和狀態(tài)表進(jìn)行必要的簡化處理)和輸出函數(shù)，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。建立激勵(lì)函數(shù)和輸出函數(shù)，畫出邏輯電路。29ZDMC例（見補(bǔ)充講義P.10-13）某數(shù)字系統(tǒng)的控制器ASM圖，試設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的邏輯電路圖。30ZDMCMOS管結(jié)構(gòu)和符號(hào)MOS:Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistorVGS(th)稱為MOS管的開啟電壓VGS=0漏極和源極之間相當(dāng)于兩個(gè)PN結(jié)背向地串聯(lián)，所以D-S間不導(dǎo)通.iD=031ZDMCCMOSDevicesCrossSectionThegateactslikeacapacitor.Ahighvoltageonthegateattractschargeintothechannel.Ifavoltageexistsbetweenthesourceanddrainacurrentwillflow.Initssimplestapproximationthedeviceactslikeaswitch.

TopViewMOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor).

nFETpFET