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1、第五讲：数字系统设计方法一、设计方法基础1.数字系统设计流程：数字系统设计可分为四个层次：系统级设计电路级设计芯片级设计电路板设计设计要求方案设计电路设计器件设计PCB设计结构设计系统样机电路调试2.数字系统设计基本方法： ⑴.TOP-DOWN自顶向下设计系统子功能块1子功能块2……子功能块n逻辑块11逻辑块12……逻辑块1m逻辑块21……逻辑块111……⑵.编码对同一个编码对象（输入、输出和内部状态），存在多种编码方案。由于编码方案决定其后逻辑设计的复杂程度，因此在设计时应考虑选择最佳编码方案的问题。一个n位
2、的二进制数，共有2n个编码，可以表示2n种可能性。设计中使用到的编码称为有效编码，未使用的编码称为无效编码。编码效率记为：ηη=有效编码数/2n编码效率η反映了器件资源的利用率，编码效率越高，意味着能用较少的资源去实现所要求的逻辑功能。进行编码时应注意的问题：编码的位数（二进制位数）应尽量短。区别对待I/O编码和内部状态编码：I/O编码要便于和外界接口匹配，并不要求位数最短；内部状态编码位数应尽量短。在I/O编码和内部状态编码之间可以插入一个格式转换接口。优化编码结构。对无效编码进行适当的处理。3.设计准则⑴.
3、分割准则：分割后最底层的模块应适合用逻辑语言进行表达。相似的功能应尽量设计成共享模块，以减少重复设计，提高设计效率。接口信号线最少：以交互信号线最少的地方为边界划分模块。结构匀称。通用性好，易于移植。⑵.系统的可观测性 系统的可观测性问题是指：在系统设计中，应同时考虑功能检查和性能测试。在系统设计的同时设计观测电路（即：观测器），将系统内部的重要信号引向器件管脚输出，供外部测试。一般可将系统的关键点信号，以及具有代表性的节点和线路上的信号，引向器件管脚输出，供外部测试。如：时钟、同步信号等。⑶.同步和异步电路的
4、选择 在设计时应尽可能采用同步电路设计，避免使用异步电路。⑷.最优化设计由于PLD的逻辑资源、连线资源和I/O资源是有限的，器件的速度和性能也是有限的，因此系统设计要考虑最优化。两个约束条件：边界条件、最优化目标。边界条件：指器件的资源和性能限制。最优化目标：器件资源利用率最高。系统工作速度最快，延时最小。布线最容易，即可实现性最强。二、组合逻辑电路设计1.4bits格雷码/二进制码变换器：4位GRAY/BIN转换表G3G2G1G0B3B2B1B0G3G2G1G0B3B2B1B00000000011001000
5、0001000111011001001100101111101000100011111010110110010010101100011101011011110101010110100111100100011110001111MODULEGRAY_BINTITLE‘4bitsGRAY/BINConverter’G3,G2,G1,G0,ENPIN;B3,B2,B1,B0PINISTYPE‘COM’;EQUATIONSB3=G3;B2=G3$G2;B1=G3$G2$G1;B0=G3$G2$G1$G0;END仿真结果：
6、2.多路数据选择器/多路分配器：16选4多路数据选择器S1S0Y0Y1Y2Y300a0a1a2a301b0b1b2b310c0c1c2c311d0d1d2d3输入信号：a0~a3,b0~b3,c0~c3,d0~d3选择信号：S1,S0输出信号：Y0,Y1,Y2,Y3MODULEMUX16S4S1,S0,a3..a0,b3..b0,c3..c0,d3..d0PIN;Y3,Y2,Y1,Y0PINISTYPE‘COM’;A=[a3..a0];B=[b3..b0];C=[c3..c0];D=[d3..d0];S=[S1
7、,S0];Y=[Y3..Y0];EQUATIONSWHEN(S==0)THENY=A;WHEN(S==1)THENY=B;WHEN(S==2)THENY=C;WHEN(S==3)THENY=D;END三、寄存器逻辑电路设计1.100进制计数器：寄存器输出：Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0：从00000000到01100011（0~99）时钟输入：CLK异步复位：CLRMODULECDU100CLK,CLRPIN;Q7,Q6,Q5,Q4,Q3,Q2,Q1,Q0PINISTYPE‘REG’;COUNTER=[Q7,
8、Q6,Q5,Q4,Q3,Q2,Q1,Q0];EQUATIONSCOUNTER.CLK=CLK;COUNTER.AR=CLR;WHEN(COUNTER==99)THENCOUNTER:=0ELSECOUNTER:=COUNTER.FB+1;END在100进制计数器的基础上，设计一个显示模块将计数结果以BCD码用数码管显示出来。二进制码/BCD码转换器：MODULEBIN_BCDA7,A6
