【正文】 流程圖的狀態(tài)框 基本符號 一個 ASM塊至多包含三種不同類型的符號： 矩形狀態(tài)框 、 菱形判別框 和 條件輸出框 。 注意圖的標(biāo)注（左邊）與流程圖的（右邊）不同。一個時序數(shù)字系統(tǒng)的所有狀態(tài)的 ASM塊，按照一定的順序聯(lián)結(jié)成一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生的ASM圖可用來精確地描述系統(tǒng)所具有的功能。在時序電路的 ASM圖中，每一個狀態(tài)由一個 ASM塊來表示 。經(jīng)過不斷改進，將流程圖改造成描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的形式化工具 ——算法狀態(tài)機圖 ASM (Algorithmic State Machine Charp)。 如果某狀態(tài)的輸出與輸入有關(guān) (Mealy型 )，則邏輯流程圖中對應(yīng)的狀態(tài)單元必定包括 有條件輸出框 ； 如果某狀態(tài)的輸出與輸入無關(guān) (Moore型 )，則邏輯流程圖中對應(yīng)的狀態(tài)單元必定 沒有條件輸出框 。 模 3 計數(shù)器 模 40 計數(shù)器 模 60 計數(shù)器 分頻器 CLK CP（周期 1秒） 進位輸出信號 啟動 (使能 )計數(shù)信號 十字路口交通燈控制器邏輯框圖 啟動 南北 停車 東西 停車 3秒 東西 停車 南北 停車 3秒 東西 道禁止 南北 道通行 南北 無車 或南北 、 東西 均有車且達到 40秒 0 1 東西 道通行 南北 道禁止 南北 有車且 東西 無車或 南北 、 東西 均有車且達到 60秒 0 1 a. 粗框圖 ? 若 EW及 NS均有車，則 EW每次通行 60秒 (綠燈 )， NS每次通行 40秒 (綠燈 )，EW、 NS輪流放行； ? 若 僅有一個通道有車，則禁止無車通道 (紅燈 )； ? 若 兩通道均無車，則 NS禁止， EW 放行； ? 若 通道轉(zhuǎn)換時，兩通道均需停車 3秒(黃燈 )。 設(shè)：東西道 (EW)為主道，南北道 (NS)為副道。 框圖 EWCAR NSCAR 交通燈 控制系統(tǒng) 燈控信號 變量定義 監(jiān)測器輸出 定時器輸出 輸出燈光信號 NSCAR EWCAR ( 由 ET、 ST WT、 NT 生成 ) TM60 TM40 TM3 (計數(shù)器的 進位輸出 ) NSRed NSGeen NSYellow EWRed EWGeen EWYellow ? 若 EW及 NS均有車， 則 EW每次通行 60秒 (綠燈 )， NS每次通行 40秒 (綠燈 )， EW、 NS輪流放行； ? 若 僅有一個通道有車， 則禁止無車通道 (紅燈 )； ? 若 兩通道均無車， 則 NS禁止， EW 放行； ? 若 通道轉(zhuǎn)換時， 兩通道均需停車 3秒 (黃燈 )。 例 設(shè)計一個十字路口交通燈控制系統(tǒng)。 設(shè)：東西道 (EW)為主道，南北道 (NS)為副道。 加洲太陽谷的一個十字路口的交通燈傳感器和信號 NSCAR EWCAR EWCAR NSCAR EWRED EWYELLOW EWGREEN NSRED NSYELLOW NSGREEN EWRED EWYELLOW EWGREEN NSRED NSYELLOW NSGREEN E ? 若 EW及 NS均有車， 則 EW每次通行 60秒 (綠燈 )， NS每次通行 40秒 (綠燈 )， EW、 NS輪流放行； ? 若 僅有一個通道有車， 則禁止無車通道 (紅燈 )； ? 若 兩通道均無車， 則 NS禁止， EW 放行； ? 若 通道轉(zhuǎn)換時， 兩通道均需停車 3秒 (黃燈 )。 邏輯流程圖的描述過程是一個逐步細化（深化）的過程。這個經(jīng)市政部門認可的交通燈管理系統(tǒng)，后應(yīng)用于芝加哥。 功能說明或狀態(tài)名 入口 狀態(tài)輸出表 z1 ↑, z2 ↓, z3 ↑↓ 條件 條件 假 出口 0 條件 真 出口 1 功能說明 出口 邏輯流程圖的應(yīng)用 例 設(shè)計一個十字路口交通燈控制系統(tǒng)。 z2 ↓表示進入狀態(tài)， z2 無效 。 基本符號 如果在某狀態(tài)下的輸出與輸入有關(guān)，即 Mealy 型 輸出，則該狀態(tài)輸出要標(biāo)注在菱形判別框下的橢圓形條件框旁的狀態(tài)輸出表中。 z2 ↓表示進入狀態(tài) state，輸出 z2 無效 。 如果在某狀態(tài)下的輸出與輸入無關(guān)，即 Moore 型 輸出，則該狀態(tài)輸出可標(biāo)注在狀態(tài)框旁的狀態(tài)輸出表中，且這個狀態(tài)單元 必定不包括條件輸出框 。 功能說明或狀態(tài)名 入口 出口 狀態(tài)輸出表 (a) 狀態(tài)框 條件 條件 假 出口 0 入口 條件 真 出口 1 或 條件 入口 條件 假 出口 0 條件 真 出口 1 (b) 條件判別框 功能說明 入口 出口 條件輸出表 (c) 條件輸出框 基本符號 用三種符號：矩形狀態(tài)框、菱形判別框、橢圓形條件框。 邏輯流程圖的描述對象是 控制單元 ，并且以 系統(tǒng)時鐘來驅(qū)動 整個流程。從描述系統(tǒng)輸入、輸出之間的定時關(guān)系的 簡單時序圖 開始，隨著系統(tǒng)設(shè)計的不斷深入，時序圖將不斷地反映新出現(xiàn)的系統(tǒng)內(nèi)部信號的時序關(guān)系，直到最終一個 完整的時序圖 。系統(tǒng)各模塊之間，模塊內(nèi)部各功能部件之間、各功能部件內(nèi)部的各邏輯門電路或觸發(fā)器之間， 輸入信號、輸出信號和控制信號的對應(yīng)關(guān)系及特征 ，通常用時序圖來描述。 若采用總線結(jié)構(gòu)，則該智能儀表的方框圖如下： Data BUS Add BUS Contl BUS 輸入接口 微處理器 存儲器 輸出接口 數(shù)據(jù)采集模塊 顯示器 打印機 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 同一種功能的數(shù)字系統(tǒng)，可以設(shè)計出不同的結(jié)構(gòu)，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，任何設(shè)計優(yōu)化的考慮都要比物理實現(xiàn)階段中的技術(shù)優(yōu)化產(chǎn)生大得多的效益，這是系統(tǒng)設(shè)計過程中 最具創(chuàng)造性 的工作。 例 一個智能儀表的方框圖。 方框圖不涉及過多的技術(shù)細節(jié)，直觀易懂，具有： 結(jié)構(gòu)化設(shè)計 ——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰和易理解性，易構(gòu)思設(shè)計等 在方框圖中： ? 每一個 方框定義 了一個信息處理、存儲或傳遞的子系統(tǒng)（或模塊）； ? 方框內(nèi)用文字、表達式、例行符號、圖形 表示 該模塊的名稱或主要功能； ? 方框之間用 指向線 相連，表示模塊之間的數(shù)據(jù)流或信息流的 信息通道及方向 ，連線旁的文字或符號是通道的名稱、功能或信息類型。 ? 選擇邏輯功能部件，如 SSI、 MSI、 LSI等，進行合理連接，構(gòu)成嚴格能協(xié)調(diào)工作的系統(tǒng) 。 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟 第四步：設(shè)計信息處理單元和控制單元。每個部分應(yīng)具備基本獨立的邏輯功能。 第三步：對系統(tǒng)進行邏輯劃分。 這是設(shè)計工作中最困難、最有創(chuàng)造性的工作，設(shè)計者根據(jù)設(shè)計要求分析推演出信息處理的基本原理和可供選擇的結(jié)構(gòu)形式，因為可以采用不同的原理和方法實現(xiàn)某一邏輯功能。 設(shè)計者應(yīng)對系統(tǒng)仔細分析、消化和理解，逐步明確其邏輯功能，輸入、輸出信號等內(nèi)容。在現(xiàn)代計算機控制器中，常常兩者混用。特點：速度低、但設(shè)計、修改及擴充容易。設(shè)計好的微程序被固化在只讀存儲器中，這個存儲器稱為 控制存儲器 。 存在著兩種不同的控制單元實現(xiàn)方法： 硬件邏輯方法 ——用 邏輯電路 生成每一個微操作的控制信號；特點：速度高、動一發(fā)而動全身。狀態(tài)寄存器主要有兩個功能 ——寄存控制單元的 現(xiàn)態(tài) ，生成 次態(tài) 。所以，控制單元的基本功能具體上是對指令流和數(shù)據(jù)流實施時間上和空間上的正確的控制。 數(shù)字系統(tǒng)的基本模型 輸入接口 輸入信息 外部輸入的控制信號 輸入接口 外部輸出的控制信號 輸出接口 輸出信息 輸出接口 控制單元 控制信號 狀態(tài)信號 控制流 數(shù)據(jù)流 數(shù)字邏輯系統(tǒng) 信息處理單元 時鐘 信息處理單元的構(gòu)成 狀態(tài)信息 S 控制網(wǎng)絡(luò) τ1 τm ??? τ 傳送脈沖 控制信號 C Q1 τ1 內(nèi)部寄存器組 通用寄存器 專用寄存器 存儲器 數(shù)據(jù)通路： 總線結(jié)構(gòu) 專用線 ??? x1 xk 輸入信息 ??? z1 zk 輸出信息 組合邏輯網(wǎng)絡(luò) 有 P位，表示可執(zhí)行的 P種基本操作，且可并行、或互斥 有 R位，表示執(zhí)行時的2R 種狀態(tài) Qm τm 狀態(tài)信息表及操作表舉例 S的編碼位 該編碼位定義的狀態(tài)標(biāo)志 S1 S1: = (x ＞ 0) S2 S2: = (x =0) S3 S3: = (x ＜ 0) Sr Sr: = (Q1=x) ∨ (Q2=x) 控制信號 C 執(zhí)行的操作 C1: = CLR Q1 ← 0 C2: =ADD Q1←Q1+ x C3: = SUB Q1 ← Q1 － x Cp: = INC Q1 ←Q1+ 1 ??? ??? （ a） 狀態(tài)信息表 ??? ??? （ b） 操作表 控制單元 CU的構(gòu)成 將 數(shù)字系統(tǒng) 執(zhí)行的復(fù)雜 任務(wù) 轉(zhuǎn)化成一個操作和測試序列，稱為 “算法” 。 ——接收外來的控制信息，用以改變正在執(zhí)行的操作序列。其中： 信息處理單元對信息進行不同的處理和傳遞， 控制單元保證信息處理單元按規(guī)定的微操作序列處理數(shù)據(jù)。要用 方框圖 、 定時圖 、 邏輯流程圖 、 ASM圖 、MDS圖 等系統(tǒng)描述工具。 若由 功能部件級 組成一個功能復(fù)雜、規(guī)模較大的 數(shù)字系統(tǒng) 時，雖然在理論上仍可以把它看成是一個大型 時序邏輯電路 ，仍可以采用湊試法，但實際實現(xiàn)上很難、甚至無法達到完整地描述其邏輯功能。第八章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)字系統(tǒng)的基本模型 信息處理單元的構(gòu)成 控制單元 CU的構(gòu)成 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的描述工具 方框圖 定時圖 (時序圖、時間關(guān)系圖 ) 邏輯流程圖 ASM圖 設(shè)計舉例 寄存器傳送語言 最簡便的寄存器傳送語言 設(shè)計舉例 簡易計算機設(shè)計 簡易計算機結(jié)構(gòu) 舉例 第八章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計 Digital System Design 組合邏輯電路 和 時序邏輯電路 只能完成某些特定的邏輯功能，屬 功能部件級 。電路分析和設(shè)計是建立在 真值表 、 卡諾圖 、 邏輯方程式 、 狀態(tài)表 和 狀態(tài)圖 的工具基礎(chǔ)上，主要依賴于設(shè)計者的的熟練技巧和經(jīng)驗，稱 “湊試法” 。 因為這種設(shè)計方法： 原始、受限制最多、效率與效果均欠佳、局限性大 。 對數(shù)字系統(tǒng)進行分析和設(shè)計時，通常把系統(tǒng)從邏輯上劃分成 控制單元 CU和 信息處理單元 兩大部分。 控制單元 ——不斷生成和發(fā)送控制信號序列 ，控制信息處理單元不斷地執(zhí)行特定的操作； ——接收來自信息處理單元的 狀態(tài)信息 ，用以選擇下一個需執(zhí)行的操作。 控制單元是區(qū)別 數(shù)字系統(tǒng) 與 功能部件 的 標(biāo)志 。 用控制單元產(chǎn)生與操作序列相對應(yīng)的 控制信號序列 ，每一個控制信號控制 信息處理單元 執(zhí)行與算法相關(guān)的一個操作。 組合邏輯網(wǎng)絡(luò) Q 狀態(tài) 寄存器 算法的現(xiàn)態(tài) 算法的次態(tài) 外部輸入控制信息 外部輸出控制信息 S C τ y Y 控制單元 CU的構(gòu)成 控制單元的 核心 是時序電路，本質(zhì)上是一個 狀態(tài)寄存器 。采用觸發(fā)器作為狀態(tài)寄存器的元件。 微程序方法 ——計算機的每一條指令的功能通過 執(zhí)行一個微指令序列 (微程序 )來實現(xiàn)的?？刂破靼次⒊绦虻膱?zhí)行步驟逐個發(fā)出控制信號。 顯然，采用不同的實現(xiàn)方法，將影響控制單元的組成和結(jié)構(gòu)。 數(shù)字系統(tǒng)邏輯設(shè)計的基本步驟 第一步：確定系統(tǒng)的邏輯功能。 第二步：確定系統(tǒng)方案。為此設(shè)計者要進行認真的比較和權(quán)衡，從中選取較為滿意的方案。 將系統(tǒng)按信息處理單元和控制單元劃分為兩大部分，列出信息處理單元的說明，并用流程圖等方法描述信息處理的算法（即控制單元的邏輯要求）。邏輯劃分和確定系統(tǒng)方案的過程要同時進行、相輔相成 。 ? 定義 要求信息處理單元必須執(zhí)行的處理和操作，列出 操作表 ； ? 提出 實現(xiàn)的 算法 ，確定控制單元必須保存的、或產(chǎn)生的 狀態(tài) 及狀態(tài)之間的 轉(zhuǎn)換關(guān)系 ； ? 由系統(tǒng)的控制狀態(tài)、信息處理單元產(chǎn)生的狀態(tài)信息和要求生成的控制信號 建立 控制單元的 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 ；