现代数字系统设计(本科)第2章new

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1、第2章数字系统的建模和结构第2章数字系统的建模和结构2.1设计与模型2.2数字系统的模型2.3数字系统的结构习题与思考题第2章数字系统的建模和结构2.1设计与模型模型描述一个系统是如何工作的，而结构描述系统是如何来制造的。设计过程或方法是将一个模型变换为一个结构的整个设计任务的一个集合。图2-1(a)表示了模型和结构之间的关系。图2-1(b)给出了三层楼的电梯控制模型的例子。模型是从概念的视角描述系统的功能，它是功能对象及其组成规则的集合；结构是从抽象的视角描述系统的实现，它是系统部件及其连接的集合。第2章数字系统的建模和结构规格＋约束模型(规格)设计

2、过程实现结构(实现)(a)图2-1模型和结构之间的关系及电梯控制模型的例子(a)模型和结构之间的关系；(b)电梯控制模型的例子第2章数字系统的建模和结构loop如果电梯处于停止状态，并请求的层是该层，if(req_floor＝curr_floor)the那么电梯仍保持空停状态；direction:＝idle;如果电梯处于停止状态，并请求的层是低于该层，elsif(req_floor＜curr_floor)th那么电梯下降至请求层；direction:＝down;如果电梯处于停止状态，并请求的层是高于该层，elsif(req_floor＞curr_flo

3、or)th那么电梯上升至请求的层。direction:＝up;endif;endloop;功能描述算法描述(req_floor＜curr_floor)(reg_floor＝curr_floor)(req_floor＞curr_flo/direction:＝down/direction:＝idle/direction:＝up(req_floor＜curr_floor)(req_floor＞curr_floor)/direction:＝down/direction:＝up下降空停上升(req_floor＝curr_floor)(req_floor＝curr

4、_floor)/direction:＝idle/direction:＝idle(req_floor＜curr_floor)/direction:＝up(req_floor＜curr_floor)/direction:＝down状态机描述(b)图2-1模型和结构之间的关系及电梯控制模型的例子(a)模型和结构之间的关系；(b)电梯控制模型的例子第2章数字系统的建模和结构2.2数字系统的模型1．有限状态机(FSM)一个系统的暂态行为用状态和状态之间的转移形式来表示是最自然的，因而有限状态机(FSM)是最普通的描述系统的模型。一般FSM模型是由状态集合、状态间

5、转移的集合或与其相关联的动作的集合所组成的。FSM可以抽象地定义为：＜S，I，O，f，h＞其中：S表示状态集合；I表示输入集合；O表示输出集合；f表示下一个状态函数；h表示输出函数。第2章数字系统的建模和结构f抽象地定义为映射S×I→S，即f把每一对状态和输入符号指定(变换)为另一状态符号。FSM模型假设仅当输入符号变化时，从一个状态转移到另一个状态，因此下一个状态函数f定义为输入符号变化后的FSM状态。h定义为现状态下的输出值。第2章数字系统的建模和结构FSM有两种类型：一种是基于状态的FSM即Moore(摩尔型)FSM，如图2-2所示，f定义为映射

6、S→O，换言之，输出符号被指定为FSM的每一个状态，并在FSM处于某一特定状态期间被输出。另一种是基于输入的FSM即Mealy(米勒型)FSM，如图2-3所示，h被定义为映射S×I→O。在这种情况下，每个状态的一个输出符号是由一对状态和输入符号定义的，并当这个状态和相应的输入符号维持期间被输出。第2章数字系统的建模和结构r1r1r1r3starts11/d2s21/d1s31/nr2r2r2r1r2r3r1r3r2r1r3s12/d1s22/ns32/u1r1r1r2r2r3r2r3r2s13/ns23/u1s33/u2r1r3r3r3图2-2Moor

7、e(摩尔型)FSM第2章数字系统的建模和结构r1/nr2/nr2/u1starts1s2r1/d1r1r3d1/u/1/d2r2/u2r3s3r3/nS＝{s1,s2,s3}I＝{r1,r2,r3}O＝{d2,d1,n,u1,u2}f：S×I→Sh：S×I→O图2-3Mealy(米勒型)FSM第2章数字系统的建模和结构2．带有数据通路的有限状态机(FSMD)带有数据通路的有限状态机(FSMD)如图2-4所示。(curr_floor!＝req_floor)/output:＝req_floor－curr_floor;curr_floor:＝starts1(

8、curr_floor＝req_floor)/output:＝0图2-4带有数据通路的有限状态机