现代数字系统设计(本科)第5章new

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1、第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧5.1数字系统设计的一般步骤5.2数字系统并发处理的设计5.3数字系统的算法描述5.4系统结构的选择和设计5.5数字系统优化的基本方法5.6数字系统设计中的几个工程实际问题习题与思考题第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧5.1数字系统设计的一般步骤5.1.1系统需求分析系统需求分析是数字系统设计的首要任务，一般用户应向设计者提供详细的技术规格书或设计任务书。设计者在详细地阅读该技术规格书以后应明确以下几部分内容：(1)确定系统的基本功能

2、。在确定系统基本功能以后，应画出系统功能框图。(2)确定输入和输出信号。根据系统的技术规格书要求，确定系统需要哪些输入和输出信号，并将这些输入和输出信号标示到系统功能框图中去。第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧(3)确定各功能模块之间的互相关系。各功能模块之间相互关系如控制信号、状态信号、数据等连接关系可能会随着设计的细化而不断发生改变和调整，但是无论如何在设计开始总应有初步的描述。(4)确定系统具体指标。系统的指标在技术规格书中应明确规定。但是，为了达到系统规定的指标，如速度、精度等应适当分解到各功能模块。

3、一般系统设计的内控指标应高于用户提出的指标。第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧5.1.2算法设计系统的算法设计应包含两层概念，首先应是系统数学模型建立过程中不同数学模型的选择。一个系统的功能往往可以有几个不同的数学模型来描述。例如要设计一个乘法器，可以采用逐次累加算法来实现，也可以用移位相加的算法来实现。显然前者速度慢，后者速度快。但是前者硬件资源使用要比后者少。至于选择哪一种算法模型，则要根据速度、价格和可实现性来具体确定。其次，当系统的数学模型确定之后，应根据具体的算法将其一步一步分解，变成一组有序的子运

4、算，并借助算法描述工具将其描述出来。如采用算法流程图、算法状态机图及硬件描述语言等。第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧5.1.3算法描述算法描述通常和算法设计是反复循环进行的。算法设计结果要用算法描述来表达，因此两者总是共存的，在系统设计时很难分出先后。算法描述大致可分为行为描述、RTL描述(寄存器传输描述)两个层次以及算法流程图、算法状态机图描述和HDL语言描述几个阶段。在确定数字系统的数学模型以后，一般先用算法流程图进行描述，因为它比较直观，能形象地看到系统的操作顺序及操作内容和过程。但是这种描述很难直接

5、将它综合成逻辑电路，所以是一种行为描述方法。第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧由第3章可知，算法流程图的描述是一种事件驱动的描述，而实际的逻辑电路应该由时钟驱动，也就是在算法流程图的基础上，将事件驱动转换成时钟驱动。这就是系统的算法状态机图描述，目前有些EDA软件已支持这种描述，只要输入状态图或算法状态机图，就可以综合出逻辑电路。在得到系统的算法状态机图以后，就很容易地用HDL语言来描述数字系统了。通常这种描述属于RTL描述，几乎所有的EDA软件都支持这种描述(如用VerilogHDL语言和VHDL语言)。由

6、HDL语言描述经EDA软件编译、仿真、综合就可以得到满足要求的数字系统硬件逻辑电路。第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧5.1.4系统结构选择系统结构选择与算法设计有很大关系，不同的算法可以实现同一个系统的功能。当然，同一个算法也可以用不同的系统结构来实现。例如，要实现4位二进制加法运算，如果要求速度快，那么我们可以采用4个加法器同时进行加法运算，如图5-1所示。第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧sum0sum1sum2sum3co0co1co2cin0cin1cin2cin3co3a0b0a1b1a2b2

7、a3b3图5-14个加法器的4位加法运算第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧5.1.5系统具体设计在系统结构选定以后，就可以根据系统各功能模块的算法描述，用HDL语言对其进行编程了。为了便于编程仿真和验证，在系统具体设计时应将各功能模块的输入和输出及各模块之间的相互联系用框图形式标注清楚。有关系统具体设计的一些技巧问题，将在后面章节中详述。第5章数字系统设计的基本步骤和有关技巧5.1.6系统仿真与验证数字系统逻辑设计是否正确，在设计完成以后应进行仿真和验证。当前市场上出售的EDA软件几乎都可以支持该项功能。例如

8、，Altera公司的MAX+plusⅡ，当用VHDL语言进行编程以后，经编译就可以生成仿真文件，再利用仿真工具编辑好系统的输入激励波形。此后，在该输入波形激励下，在指定的输出端就会出现相应的输出波形。对照输入和输出波形之间的关系，就可以判断所设计的数字系统的工作是否正确。但是软件仿真一般很难发现尖峰干扰及器件延迟、电路延迟带来的影响。为了进一步验证所设计的数字系统的正确性