第11章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計§11-1數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計概述§11-2ASM圖、MDS圖以及ASM圖至MDS圖的轉(zhuǎn)換§11-3數(shù)字密碼引爆器系統(tǒng)設(shè)計§11-4數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計實例小結(jié)一、數(shù)字系統(tǒng)基本組成第一節(jié)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計概述控制器電路電腦受控電路計數(shù)運算邏輯運算應(yīng)答信號控制信號系統(tǒng)核心（最小）輸入輸出接口數(shù)據(jù)輸出存儲器數(shù)據(jù)輸入注：規(guī)模龐大并不意味是一個系統(tǒng)，如存儲器，只是一個功能部件。也許由幾片MSI構(gòu)成的電路，包括控制器和受控器就是數(shù)字系統(tǒng)。二、傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法試湊法：由真值表、卡諾圖、布爾方程、

狀態(tài)表和狀態(tài)圖描述電路的功能小規(guī)模規(guī)模較大試湊法：憑借設(shè)計者的經(jīng)驗試湊法：不合適尋找更合適的設(shè)計方法可以三、現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法從上至下（fromtoptodown)：設(shè)計者從整個系統(tǒng)邏輯出發(fā)，進行最上層的系統(tǒng)設(shè)計，而后按一定的原則將全局系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，逐級向下，再將每個子系統(tǒng)分為若干個功能模塊、子模塊、基本模塊。優(yōu)點：適合大規(guī)模數(shù)字系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計，使得設(shè)計步驟之間相互聯(lián)系越來越緊密、協(xié)調(diào)，以求數(shù)字系統(tǒng)獲得良好的性能和正確的結(jié)果。四、現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計流程計算機輔助分析與設(shè)計（CAD）早期電子設(shè)計自動化（EDA）近期EDA工具從上層系統(tǒng)級開始，對電路功能描述，從上至下地跨越各個層次完成整個設(shè)計。近幾年來，劃分、綜合、驗證等都由EDA完成。EDA軟件還在優(yōu)化、發(fā)展，使從上至下的設(shè)計方法得到廣泛的應(yīng)用。第二節(jié)ASM圖、MDS圖以及ASM圖至MDS圖的轉(zhuǎn)換一、ASM圖ASM(AlgorithmicStateMachine)算法流程圖建立ASM圖是數(shù)字系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟1.ASM圖符號ASM圖表面上和軟件流程圖相似,但ASM圖有時間序列,即每隔規(guī)定的數(shù)量脈沖轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)。（1）狀態(tài)框名稱101IN←XAC←0Sr=1000（P）001（Q）010（R）每隔規(guī)定的數(shù)量脈沖轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)（2）條件分枝框（判斷框）當控制算法存在分枝時，次態(tài)不僅決定于現(xiàn)態(tài)，還與現(xiàn)態(tài)的外輸入有關(guān)。表示條件分枝的符號用菱型表示。X10(A)(B)(C)X10(3)條件輸出框(P)(Q)(R)X10Z1Z2上述三種符號構(gòu)成了ASM圖所需要的基本符號2.ASM圖的硬件實現(xiàn)例1：已知ASM圖如圖所示，用PLA陣列和一定數(shù)量的

D觸發(fā)器實現(xiàn)(P)(Q)(R)X10Z1Z2001011（1）ASM圖有三個狀態(tài)，故有兩個狀態(tài)變量Q2Q1（2）一個外輸入X、兩個輸出

Z1和Z2，兩個D觸發(fā)器。（3）下面分析狀態(tài)轉(zhuǎn)換表現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出Q2Q1XQ2n+1Q1n+1

Z1

Z201x00100010x11x1010001000輸出方程：1010001000驅(qū)動方程：由此可得PLA硬件邏輯圖二、MDS圖

MDS圖與狀態(tài)圖十分相似，且擴展了狀態(tài)圖的功能，又簡練了狀態(tài)圖。MDS圖表現(xiàn)設(shè)計過程時，既方便清晰又具有較大的靈活性。1.MDS圖符號Si表示狀態(tài)圖SiSj只要時鐘CP的有效沿到來,表示狀態(tài)Si無條件轉(zhuǎn)換到狀態(tài)Sj只要時鐘CP的有效沿到來,表示狀態(tài)Si在條件E下轉(zhuǎn)換到狀態(tài)SjE可以是積項,布爾表達式等。SiSjESiZ↑表示進入狀態(tài)Si時，輸出Z變成有效SiZ↓表示進入狀態(tài)Si時，輸出Z變成無效SiZ↑↓表示進入狀態(tài)Si時，輸出Z有效；退出時，輸出Z無效SiZ↑↓=Si?E如果條件E滿足，進入狀態(tài)Si時，輸出Z有效；退出時，輸出Z無效2.狀態(tài)圖到MDS圖這是一個莫爾型電路，三個狀態(tài)A、B、C和輸出Z1Z2依次為01、11、00。這說明：A態(tài)到B態(tài)時，Z1由0變1，Z1有效；B態(tài)到C態(tài)時，Z1由1變0，Z1無效。Z1↑↓同理：C態(tài)到A態(tài)時，Z2由0變1，Z2有效；B態(tài)到C態(tài)時，Z2由1變0，Z2無效Z2↑Z2↓加了三個輸入X1、X2、X3的情況。現(xiàn)在再考慮有條件輸出的情況：有三個狀態(tài)A、B、C，當輸入為1時，輸出為1，A→B；當輸入為0時，輸出為0，A→C（輸入/輸出）到MDS圖三、ASM圖至MDS圖的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換原則：1.ASM圖的狀態(tài)框?qū)?yīng)

MDS圖中的Si。(A)A(B)BASM圖MDS圖2.ASM圖的判別框構(gòu)成

MDS圖的分支。START？YESNOSTARTSTART計數(shù)器復位執(zhí)行CR↑↓OPR↑↓3.控制器的輸出是為實現(xiàn)狀態(tài)框的操作而發(fā)出的信息,對應(yīng)MDS圖中狀態(tài)圈外側(cè)的輸出。再舉一例：4.ASM圖的條件輸出與MDS圖條件輸出相對應(yīng)。注：A態(tài)返回到A態(tài)時，有一條件輸出：當X=0，CP=0時，RUN有效。到MDS圖第三節(jié)數(shù)字密碼引爆器系統(tǒng)設(shè)計下面討論一個數(shù)字密碼引爆系統(tǒng)，用它將從上至下的設(shè)計概念融會貫通。設(shè)計步驟：1.系統(tǒng)級分析,確定初步方案;2.將設(shè)計細分,進行模塊劃分;3.VHDL綜合.一、數(shù)字密碼引爆器頂層設(shè)計1.頂層方案設(shè)計系統(tǒng)密碼采用三個十進制數(shù)字,當三個輸入正確，就可引爆；當輸入不正確或密碼位數(shù)不對時引爆，產(chǎn)生錯誤，系統(tǒng)報警。輸入電路：（1）開始輸入數(shù)字密碼前，需設(shè)置一個READY鍵，表示電路系統(tǒng)準備就緒，可以輸入密碼。

（2）當引爆事件發(fā)生后，應(yīng)重新恢復到等待狀態(tài)，需設(shè)置一個WAIT_T鍵。（3）若沒有正確使用密碼，產(chǎn)生報警信號，這時再按READY和WAIT_T鍵不起作用，必須內(nèi)部保安人員重新設(shè)置到等待狀態(tài)，需重新設(shè)置一個SETUP鍵。（4）密碼正確輸入以后，設(shè)置一個引爆按鍵FIRE（5）十個數(shù)字按鍵A0-A9作為密碼輸入，密碼采用三位且設(shè)置在內(nèi)部，OSCC為1MHz輸入。輸出電路：（1）當密碼正確輸入并點火后，輸出一綠燈信號LT。（2）當密碼操作有誤，輸出一紅燈信號，并伴隨報警裝置LB鳴叫。注：在按WAIT_T后進入等待狀態(tài)，LT、HT和LB皆不工作。（3）設(shè)置一七段顯示數(shù)碼管顯示輸入的密碼數(shù)據(jù)。引爆過程如下：（1）按READY鍵，啟動引爆程序—系統(tǒng)處于準備狀態(tài)。

（2）依次鍵入三個十進制數(shù)字。（3）若按上述操作正確后，啟動FIRE，LT綠燈亮。

按錯密碼按上述操作時，報警喇叭LB響，RT紅燈亮。（4）引爆正確后，需按WAIT_T鍵,使系統(tǒng)進入等待狀態(tài)。報警狀態(tài)下，按READY和WAIT_T均不起作用，按另外的內(nèi)部鍵SETUP，使系統(tǒng)進入等待狀態(tài)。（5）按錯密碼可在按FIRE前，按READY鍵重新啟動引爆程序。二、頂層實體的VHDL程序第一步：為系統(tǒng)建立系統(tǒng)名。第二步：描述頂層的接口，包括輸入信號、輸出信號、信號方向、數(shù)據(jù)類型等。LIBRARYieee;USEieee.std_logic_1164.all;ENTITYfire_dISENDfire_d;系統(tǒng)建立系統(tǒng)名fire_dPORT(A0,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,A8,A9,WAIT_T:INstd_logic;FIRE,READY,SETUP,OSCC:INstd_logic;LT,RT,LB,A,B,C,D,E,F,G:OUTstd_logic);三、頂層結(jié)構(gòu)體的設(shè)計及VHDL實現(xiàn)從上至下的精神是將系統(tǒng)劃分為幾個部分，如控制部分和受控部分，受控部分又靠各種模塊來實現(xiàn)。（1）A0-A9十個數(shù)字進入系統(tǒng)編碼器變成BCD碼，并顯示（2）密碼是內(nèi)部設(shè)置為Z1、Z2、Z3，它是串行輸出，所以用一4乘3選1電路構(gòu)成。（3）密碼需和鍵入的BCD碼比較，需設(shè)一個4比特比較電路。比較結(jié)果送入控制器。至于READY、FIRE等輸入信號，可直接送入控制器，由于按鍵產(chǎn)生引起電平抖動，最好加入同步消抖電路。由于同步消抖輸入是低電平，又由于按鍵產(chǎn)生是高電平，所以要加入一個反相器。4乘3選1的地址由計數(shù)器控制，計數(shù)器由控制器控制。當WAIT_T有效時,提供WAIT_L信號封鎖RS觸發(fā)器,使LT、RT和LB無效。系統(tǒng)使用1MHz信號，經(jīng)過分頻得OSC2為1000Hz，再分頻為4Hz（OSC1）提供給系統(tǒng)。至此頂層模塊劃分完成，如上圖所示。VHDL結(jié)構(gòu)描述程序如下：ARCHITECTUREfire_d_arcOFfire_dISCOMPONENTse7ISPORT(A,B,C,D:INstd_logic;E,F,G,H,I,J,K:OUTstd_logic);ENDCOMPONENT;COMPONENTkcomISPORT(A,B,C,D:INstd_logic;

E,F,G,H:INstd_logic;T:OUTstd_logic);ENDCOMPONENT;COMPONENTkbianISPORT(A,B,C,D,E,F,G,H,I,J:INstd_logic;T,X,Y,Z,W:OUTstd_logic);ENDCOMPONENT;COMPONENTk4muxISPORT(A,B:INstd_logic;C,D,E,F:OUTstd_logic);ENDCOMPONENT;SIGNALA11,A21,A31,A41,A51,A61,A71,A81,A91,B1,B2,B3,B4:std_logic;SIGNALDep,E1,E2,E3,E4:std_logic;BEGINU29:kbianPORTMAP(A01,A11,A21,A31,A41,A51,A61,A71,A81,A91,DATA_IN1,B1,B2,B3,B4);U30:kcomPORTMAP(B1,B2,B3,B4,E1,E2,E3,E4,Dep);U32:k4muxPORTMAP(CT0,CT1,E1,E2,E3,E4);U41:se7PORTMAP(B1,B2,B3,B4,A,B,C,D,E,F,G);ENDfire_d_arc;二、次級電路分析與VHDL實現(xiàn)1.受控部分電路設(shè)計主要包括編碼電路、消抖同步電路、比較電路、預置碼電路、計數(shù)器選擇電路和輸出電路等。（1）編碼電路編碼電路是10線至4線的BCD編碼器，又因前級消抖電路輸出為高電平，所以A01—A91進入編碼器為高電平。輸出B4為MSB，B1為LSB。DATA_IN1為當按下按鍵時，為高電平。PORT(A,B,C,D,E,F,G,H,I,J:INstd_logic;T,X,Y,Z,W:OUTstd_logic);ENTITYkbianISENDkbian;(2)消抖同步電路SETUP、WAIT_T、READY、FIRE和A0-A9都需要一同步消抖電路，如右圖所示：VHDL程序如下：ENTITYksyISENDksy;PORT(A,B:INstd_logic;C:OUTstd_logic);ABCARCHITECTUREksy_arcOFksyISCOMPONENTknand2ISPORT(A,B:INstd_logic;C:OUTstd_logic);ENDCOMPONENT;SIGNALT1,T2,T3,T4,T5,T6:std_logic;BEGINT1T2T3T4T5T6U0:knand2PORTMAP(A,T1,T2);(3)比較器電路（A）比較器的輸入來自編碼器的輸出B1至B4的四位數(shù)據(jù)。（B）比較器的另外輸入來自預置密碼電路的輸出E1至E4的四位數(shù)據(jù)。（C）結(jié)果相等時，輸出Dep為1；不等時，輸出Dep為0。PORT(A,B,C,D,E,F,G,H:INstd_logic;T:OUTstd_logic);ENTIYkcomISENDkcom;ARCHITECTUREkcom_arcOFkcomISBEGINPROCESS(A,B,C,D,E,F,G,H)BEGINIFA=EANDB=FANDC=GANDD=HTHENT<=1;ELSET<=0;ENDIF;2.控制器電路設(shè)計控制器在系統(tǒng)中只占硬件的很小一部分，因此對控制器的設(shè)計不是從如何最簡化入手，而是著重考慮邏輯清楚，便于修改。（1）建立等待狀態(tài)：系統(tǒng)處于引爆后、上電狀態(tài)時，系統(tǒng)還未進入正常的等待狀態(tài)。此時系統(tǒng)不接受除WAIT_T外的任何信號,當鍵入WAIT_T后,系統(tǒng)進入等待狀態(tài),輸出WAIT_L信號,將引爆指示燈LT和報警指示燈RT以及報警器切斷，該狀態(tài)可用右圖（ASM）表示。（2）準備操作狀態(tài)：當WAIT_T按下以后，進入準備操作狀態(tài)。此時READY信號來到后，為計數(shù)器清零RESET_CNT,轉(zhuǎn)入第三狀態(tài)。輸入密碼狀態(tài)3.輸入密碼狀態(tài)進入此狀態(tài)后,EN有效，允許密碼和FIRE輸入。收前三個信號時先判斷是否為數(shù)據(jù)信號，若是數(shù)據(jù)信號，使計數(shù)器加1，選出對應(yīng)的預置碼進行比較，若三個數(shù)全正確，轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)。若三個數(shù)有一個不正確，轉(zhuǎn)入報警狀態(tài)。4.引爆操作狀態(tài)若有信號鍵入，判斷是數(shù)據(jù)信號還是FIRE：（1）若是FIRE信號，則發(fā)出SLT信號，LT亮，密碼引爆器被引爆。（2）若是數(shù)據(jù)信號，則進入報警狀態(tài)，此時如果啟動READY鍵，系統(tǒng)發(fā)出RESET_P信號返回到輸入密碼狀態(tài)。輸入密碼（3）報警狀態(tài)有兩種情況:(A)沒按FIRE鍵時,可按READY鍵返回到輸入密碼操作狀態(tài);(B)按FIRE鍵后,必須按SETUP鍵返回到等待操作狀態(tài)狀態(tài)。輸入密碼等待狀態(tài)將ASM圖改成MDS圖得到6個激勵方程和有關(guān)輸出方程如下：控制器的部分VHDL程序如下：

WHENQA=>H<=‘0’;--時鐘信號CNP置0

IFA=‘0’THEN--WAIT_T沒按下

current_state<=QA;ELSE

--WAIT_T按下

current_state<=QB;M<=‘0’;L<=‘1’;K<=‘1’;ENDIF;PACKAGEstate_packISTYPEstateIS(QA,QB,QC,QD,QE,QF);ENDstate_pack;LIBRARYieee;USEieee.std_logic_1164.all;USEwork.state_pack.all;ENTITYcontrollISPORT(A,B,C,D,E,,F,G,OSC2:INstd_logic;H,I,J,K,L,M:OUTstd_logic);ENDcontroll;ABCDEFGHIJKLMARCHITECTUREcontroll_arcOFcontrollIS

SIGNALcurrent_state:state_pack:=QA;BEGIN

PROCESSBEGINWAITUNTILLOSC2=‘1’ANDOSC2’EVENT;