电子设计自动化第8章数字系统设计

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1、8.1数字系统设计概要8.2数字系统设计举例8.3实训习题8.1数字系统设计概要日常生活中可以发现无数数字系统的例子，如自动播放器、CD播放机、电话系统、个人计算机以及视频游戏等。可以简单地将数字系统定义为仅用数字来“处理”信息以实现计算和操作的电子系统。但是，数字系统中的数字来自于二进制计数系统，只有两个可能的值：0和1，即只使用0和1来完成所有的计算和操作任务。因此，数字系统必须实现如下功能：(1)将现实世界的信息转换成数字网络可以理解的二进制“语言”。(2)仅用数字0和1完成所要求的计算和操作。(3)将处理的结果以

2、我们可以理解的方式返回给现实世界。8.1.1数字系统设计模型我们所设计的数字系统一般只限于同步时序系统，其所执行的操作是由时钟控制分组按序进行的。一般的数字系统可分为受控器与控制器两大部分，受控器又称为数据子系统或信息处理单元，控制器又称为控制子系统。数字系统的方框图如图8-1所示。图8-1数字系统方框图数据子系统主要完成数据的采集、存储、运算处理和传输任务，它主要由存储器、运算器、数据选择器等组成，与外界进行数据交换，它所有的存取、运算等操作都是在控制子系统发出的控制信号的作用下进行的。数据子系统与控制子系统之间的联系

3、是：数据子系统接收由控制子系统来的控制信号，同时将自己的操作进程作为条件信号输出给控制子系统。控制子系统是执行算法的核心，它必须具备记忆能力，因此是一个时序系统。它由一些组合逻辑电路和触发器等组成，与数据子系统共享一个时钟。控制子系统的输入是外部控制信号和由数据子系统来的条件信号，按照设计方案中既定的算法程序，按序地进行状态转换，与每个状态以及有关条件对应的输出作为控制信号去控制数据子系统的操作顺序。8.1.2数字系统设计基本步骤1．明确设计要求拿到一个设计任务，首先要对它进行分析理解，将设计要求罗列成条，每一条都应是无

4、疑义的。这一步主要明确待设计系统的逻辑功能及性能指标，在明确了设计要求之后应能画出系统的简单示意方框图，标明输入、输出信号及必要的指标。2．确定系统方案明确了设计要求之后，就要确定实现系统功能的原则和方法，这是最具创造性的工作。同一功能可能有不同的实现方案，而方案的优劣直接关系到系统的质量及性能价格比，因此要反复比较与权衡。常用方框图、流程图或描述语言来描述系统方案。系统方案确定后要求画出系统方框图、详细的流程图或用描述语言写出算法，如有需要与可能还应画出必要的时序波形图。3．受控器的设计根据系统方案，选择合适的器件构成

5、受控器的电原理图。根据设计要求可能要对此电原理图进行时序设计，最后得到实用的受控器电原理图。4．控制器的设计根据描述系统方案的模型导出MDS图或ASM图，按照规则及受控器的要求选择电路构成控制器，必要时也要进行时序设计，最后得到实用的控制器电原理图。然后再将控制器和受控器电路合在一起，从而得到整个系统的电原理图。　　在整个设计过程中应尽可能多地利用EDA软件，及时进行逻辑仿真、优化，以保证设计工作优质、快速地完成。8.2数字系统设计举例8.2.1系统的设计要求本节要求设计一个24小时制的数字闹钟，该数字闹钟的面板如图8

6、-2所示，它包括以下几个组成部分：(1)显示屏，由7个七段数码管组成，其中6个用于显示当前时间(时：分：秒)或设置的闹钟时间，另一个用于显示系统内部产生的周期性循环变化的待选预置数字。图8-2数字闹钟面板(2) YES(确认)键，在输入新的时间或新的闹钟时间时，用于对每位待选预置数字输入的确认。(3) TIME(时间)键，用于确定新的时间设置。(4) ALARM(闹钟)键，用于确定新的闹钟时间设置，或显示已设置的闹钟时间。(5)扬声器，在当前时钟时间与闹钟时间相同时，发出蜂鸣声。该数字闹钟的具体功能要求如下。(1)计时功

7、能：这是本数字闹钟设计的基本功能，每隔1秒钟计时一次，并在显示屏上显示当前时间。(2)闹钟功能：如果当前时间与设置的闹钟时间相同，则扬声器发出蜂鸣声。(3)设置新的计时器时间：系统内部产生周期性循环变化的待选预置数字，当用户按“YES”键后则该数字将作为预置数字输入。在输入过程中，输入数字在显示屏上从右到左依次显示。例如，用户要设置新的时间12：48：56，则按顺序先后输入“1”、“2”、“4”、“8”、“5”、“6”，与之对应，显示屏依次显示的信息为“1”、“12”、“124”、“1248”、“12485”、“1248

8、56”。如果用户在输入任意几个数字后较长时间内(例如5秒)没有按任何键，则计时器恢复到正常的计时显示状态。(4)设置新的闹钟时间：用YES键输入新的闹钟时间，然后按“ALARM”键确认，过程与(3)类似。(5)显示所设置闹钟时间：在正常计时显示状态下，直接按下“ALARM”键则已设置的闹钟时间显示在显示屏上。　　根