数字逻辑教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第6章数字系统功能模块设计.ppt

数字逻辑教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第6章数字系统功能模块设计.ppt

《数字逻辑教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第6章数字系统功能模块设计.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字逻辑教学课件ppt作者王茜黄仁许光辰第6章数字系统功能模块设计.ppt（38页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

第6章数字系统功能模块设计,6.1数字系统功能模块,无论是简单数字系统还是复杂数字系统，实际上它们都是由一些称为核的基本功能部件来构成，所以要完成一个数字系统的设计，实际上是先将这样的一些基本功能部件构思出来，然后通过某种互连技术实现这些功能部件的综合，其结果就是需要进入应用场合的数字系统，所以数字系统实际上就是某种具体逻辑功能需求的统称，这个系统根据不同的应用需求可大可小,6.1.1功能模块概念,功能模块实际上就是某种具备特定逻辑功能的一个电路,6.1.2功能模块外特性及设计过程,功能模块的外特性描述了某特定逻辑电路输入和输出之间的关联关系,逻辑功能模块的设计则要经历如下几个阶段：

（1）功能设计的需求分析；

（2）输入、输出变量以及时间关系认定；（3）编程模块算法流程图设计；（4）编程；（5）在线仿真、故障注入、功能测试与系统联试。

6.2基于组合逻辑模型下的VHDL设计,基于组合逻辑模型下的VHDL设计主要是通过VHDL平台，对非时序机模型的基本功能逻辑部件进行设计,6.2.1基本逻辑门电路设计,基本逻辑门电路是构成逻辑功能部件的逻辑单元内核，这些逻辑单元内核就是在逻辑代数中所描述的“与”、“或”、“非”三种基本逻辑运算，而数字逻辑中具有更加复杂逻辑功能的部件就是通过这些逻辑单元内核来形成一些复杂的逻辑门电路，如“与非门”、“或非门”、“异或门”等，然后通过这些复杂逻辑门电路来实现逻辑功能部件。

6.2.2比较器设计,比较器在数字系统中提供多个参与数据比较结果大小的逻辑功能，一般情况下都要求比较器能够描述出参与比较数据的相等、大、小关系，利用比较器的扩充方式，还可以实现数据表决器的逻辑功能,6.2.3代码转换器设计,代码转换器的功能是将以某种编码格式的输入数据信息通过变换后，形成另一种编码格式的输出。

对这类功能部件的设计输入信号都要预先确定一种输入编码格式，因此输出与输入信息的格式就将被变换成一种非常规范的描述，所以这类功能部件的设计思路是寻求输入数据编码和输出数据编码格式的差异点。

6.2.4多路选择器与多路分配器设计,多路选择器和多路分配器的功能都是根据控制选择信号的不同组合，将输入信号分配到输出端口上。

这两种功能部件的差异点是，在多路选择器中是按控制信号的不同组合从多组输入信号中选择一组作为输入信号的输出，而多路分配器是根据不同控制信号的组合，将从多个输出端口中选择一个端口作为输入信号的输出端口，这两种功能部件结构如图6.14所示,6.2.5运算类功能部件设计,在计算机系统中，通常所指的运算器设计包括了对半加器、全加器、减法器、乘法器、求补运算器和通用加/减计数器等功能部件的设计，由于这类功能部件具备了对数据信息的计算行为，所以它们被称为运算器功能部件。

6.2.6译码器设计,译码器在数字系统和计算机技术中得到广泛使用，它在数字系统和计算机应用中是一个非常重要的功能部件。

译码器从结构上被分成线性译码器和矩阵式译码器两种形式，由于线性译码器常导致译码后产生的分配位置不连续，所以这种译码方式使用的场合比较有限，而矩阵式译码技术采用了nm的叉乘方式，每个交叉点就是一个分配位置，其结果带来了译码范围大、资源浪费小、分配位置连续等优点，所以该译码方式在非定制器件和定制器件中成为了主流设计方式。

译码器的作用是通过译码产生不同编码组合的输出，这些不同编码的组合形成了所需要的条件选择，所以译码器按功能分成24线译码器、38线译码器、416线译码器、地址译码器、加权译码器等。

译码器的设计大同小异，这里以一个38线译码器为例，起到举一反三的作用。

6.2.7总线隔离器设计,总线隔离器在计算机技术中也是一个非常重要的功能部件，它担负着计算机系统中部件之间、处理器之间、处理器与外设、处理器与存储器系统以及外设与外设之间的数据信息传输通道隔离作用总线隔离器就是常说的三态门、总线缓冲器和总线收发器，按数据传输方向来分，总线隔离器被分成单向和双向两种传输结构,由于计算机系统需要挂接各种各样的外部设备，在任何时刻只能由中央处理器根据当前的计算需要选中某台设备进行工作，为保证系统中未被选设备不能干扰被选设备的工作，因此系统中对每个设备必须要用总线隔离器来隔离设备与总线之间的信息传输通路。

总线隔离器如同水库水闸一样，当需要水流出水库时，就开启水闸，反之则关闭水闸,6.3基于时序逻辑模型下的VHDL设计,若一个数字系统具有记忆功能，那么该数字系统就被称为时序逻辑、时序机或时序电路等常用的时序逻辑功能部件有触发器、锁存器、寄存器和计数器等,6.3.1寄存器设计,寄存器是时序逻辑中的一个非常重要的功能部件，它主要在构成的数字系统中担负数据信息的临时存储和数据信息在传输过程中的缓冲作用等。

由于数字电路中的每个触发器可以独立存储一位二进制信息，因此将多个这样的触发器组织起来可以存储一个字符串，所以这种多触发器组织结构就称为寄存器。

数字系统中的寄存器大多采用静态触发器的形式来构成，如D、JK型静态触发器等，数字系统将多个这样的寄存器再度组织起来形成寄存器组（RegisterFile）结构，寄存器组在同步时钟信号的共同作用下实现数据信息的存储、转发等功能。

数字系统中将寄存器按功能来分类，可分成数据缓冲器、数据锁存器和移位寄存器等,6.3.2计数器设计,在数字系统和计算机技术中，计数器有如下一些典型应用1定时在计算机技术中，经常需要对执行过程或执行设备进行规定时间的计算，此时需要由计算机系统内部产生时间控制的功能，并由该功能部件来裁决各个设备或进程的运行时间。

其做法是用CPU的CLK时间，通过计数器对系统产生的时间计数来达到输出时间到的控制信号，CPU得到该输出时间到的信号后，立即进行相应的时间管理,2分频分频实际上就是把功能部件设计成一个具有多个输出端口的计数器，每个输出端口是对输入频率进行2n计数，即每个输出端口频率将按除以2n计量被降低,分频器内部结构,分频时间图,一个分频器的实际应用，在A/D转换中，由于外部设备的数据转换过程需要花费一定的转换时间，所以高速运行的CPU对A/D操作将出现时间不匹配情况，为保证CPU对A/D的采样正常控制和数据转换处理，就需要用分频器将CPU的工作频率降低到与低速A/D采样和数据转换一样的频率,6.3.3并/串转换器设计,在计算机技术中，通过左（右）移寄存器与全加器的配合可以实现计算机的乘法（除法）操作，即在对移位寄存器的控制下，由CPU实现对乘数（除数）的乘（除）操作。

在通信工程中，通信数据的传输就需要通过移位寄存器的控制实现异步或同步数据的交换。

在数据加密或解密中，对需要加（解）密数据信息在移位寄存器的控制下逐位实现传输数据的加（解）密操作。

并/串转换是指数据被并行输入到寄存器中，然后通过存放数据信息的寄存器左（右）移功能，逐位通过寄存器的输出口被传输出去，所以这种并行输入串行输出功能就称为并/串转换,6.3.4串/并转换器设计,串/并转换是指数据信息在控制信号的作用下，逐位被输入到移位寄存器中，然后在输出允许控制信号作用下，实现移位寄存器中数据信息并发输出，它常用于数字系统中设备之间的信息交换。

6.3.5七段数字显示（LED）原理分析与设计,由于每位LED有7段笔画和一个小数点表示是通过8个发光二极管来构成的，所以某个二极管一旦导通，则对应的二极管将发光，这样根据不同发光段的组合，就可以得到我们需要的数字和特定符号的显示。

在这种显示方式中，8个发光二极管分别用符号ah表示,LED显示实例,LED数字与部分字符显示驱动表,6.4复杂数字系统设计举例,6.4.1高速传输通道设计高速传输通道是指数字系统中数据信息的快速传输问题，在计算机技术中，它主要用于外部设备与存储系统之间的数据传输过程,目前一种快速通道的设计就是利用直接存取存储器（DirectMemoryAccess，DMA）技术，而DMA是让集成电子器件（IntegratedDeviceElectronics，IDE）直接存取存储器内容,早期IDE接口有两种传输方式：

一个是PIO（ProgrammingI/O）方式技术；另外一个就是DMA方式。

虽然DMA方式系统资源占用少，但需要额外的驱动程序或设置，因此当时被接受的程度较低。

随着计算机系统速度越来越高，DMA方式由于执行效率较好，操作系统也开始直接支持，因此厂商就推出了愈来越快的各种DMA传输速度标准,基于可编程器件技术支持的高速传输通道应具备如下6个需求：

（1）在准备进行数据传输时，可以向传输通道控制器发送请求；

（2）传输通道控制器根据设备传输申请，对系统管理器发送总线占用申请标志；（3）系统管理器利用总线空闲期释放总线，并回送总线可用标志；（4）传输通道控制器得到该信号后，发送传输首地址指针和向传输设备发回答信号，同时发I/O读和内存写信号；（5）传输设备得到回答信号，将数据送到数据总线上，同时撤除数据传输申请；（6）内存接收数据后，回送准备好信号，传输通道控制器内部地址寄存器加1（减1），且内部计数器减1，并撤除总线请求。

6.4.2多处理机共享数据保护锁设计,在多机系统中常涉及多个处理器对共享资源访问冲突问题，一种简单可行的方式就是采用互斥操作来解决资源访问冲突，所以多机系统中的共享资源互斥操作一直是系统结构设计人员关心的问题。

多机系统一方面应该让原来共享资源中被更新的数据全部或局部作废，同时这个共享资源的数据更新消息还必须采用消息点播的方式通知所有参与该资源共享操作的处理器。

另一方面多机系统在操作过程中，必须对共享资源的数据更新工作遵循某种更新原则，比如说先来先服务（FirstInFirstServe，FIFS）和最后信息使用原则（LastInformationUsePrincipia，LIUP）等技术，以确保多机系统共享资源的更新过程中不会出现资源活锁,单机系统对共享资源互斥过程,PV操作是计算机操作系统理论中一个非常重要的概念，也称为PV原语（即PV操作是不可中断的程序段，故称为原语），PV原语中的P是荷兰语的Passeren（等待），相当于英文中的pass，V是荷兰语的Verhoog（发信号），相当于英文中的incremnet，OS中的进程互斥操作通过引入这个概念来解决进程互斥问题,多机系统中节点访问受阻示意,