图0-1数字系统框图.PDF

绪论 0 ． 1 数字系统设计的基本概念 目前，数字技术已渗透到科研、生产和人们日常生活的各个领域。从计算机到家用电 器，从手机到数字电话，以及绝大部分新研制的医用设备、军用设备等，无不尽可能地采 用了数字技术。 数字系统是对数字信息进行存储、传输、处理的电子系统。 通常把门电路、触发器等称为逻辑器件，将由逻辑器件构成，能执行某单一功能的 电路，如计数器、译码器、加法器等，称为逻辑功能部件，把由逻辑功能部件组成的能实 现复杂功能的数字电路称数字系统。复杂的数字系统可以分割成若干个子系统，例如计算 机就是一个内部结构相当复杂的数字系统。 不论数字系统的复杂程度如何，规模大小怎样，就其实质而言皆为逻辑问题，从组 成上说是由许多能够进行各种逻辑操作的功能部件组成的，这类功能部件，可以是 SSI 逻 辑部件，也可以是各种 MSI 、LSI 逻辑部件，甚至可以是 CPU 芯片。由于各功能部件之 间的有机配合，协调工作，使数字电路成为统一的数字信息存储、传输、处理的电子电路。 与数字系统相对应的是模拟系统，和模拟系统相比，数字系统具有工作稳定可靠， 抗干扰能力强，便于大规模集成，易于实现小型化、模块化等优点。 数字系统一般由控制电路、多个受控电路、输入/输出电路、时基电路等几部分构成， 如图 0-1 所示。 图0-1 数字系统框图 图中，输入电路将外部信号（开关信号、时钟信号等）引入数字系统，经控制电路 逻辑处理后，或控制受控电路，或经输出电路产生外部执行机构（发光二极管、数码管、 扬声器等）所需的信号。数字系统通常是一个时序电路，时基电路产生各种时钟信号，保 证整个系统在时钟作用下协调工作。 数字系统和功能部件之间的区别之一在于功能是否单一，一个存储器，尽管规模很 大，可以达到数兆甚至 G 字节，但因其功能单一，只能算是逻辑部件，而由几片 MSI 构 成的交通灯控制器却应称为系统。 数字系统和功能部件之间的区别之二是是否包含控制电路，一个数字电路，无论其 规模大小，只有在具有控制电路的情况下才能称之为系统。控制电路根据外部输入信号、 各受控电路的反馈信号、控制电路的当前状态，决定系统的下一步动作。控制电路的逻辑 关系最为复杂，是数字系统设计中的关键。 0 ．2 数字系统设计方法简介 数字系统的设计的一般流程为 1．明确设计要求，确定系统的输入/输出 90 在具体设计之前，详细分析设计要求、确定系统输入/输出信号是必要的。例如，要设 计一个交通灯控制器，必须明确系统的输入信号有哪些（由传感器得到的车辆到来信号， 时钟信号），输出要求是什么 （红、黄、绿交通灯正确显示和时间显示），只有在明确设计 要求的基础上，才能使系统设计有序地进行。 2 ．确定整体设计方案 对于一个具体的设计可能有多种不同的方案，确定方案时，应对不同方案的性能、成 本、可靠性等方面进行综合考虑，最终确定设计方案。 3 ．自顶向下（top-down ）的模块化设计方法 数字系统的设计通常有两种设计方法，一种是自底向上的设计方法，一种是自顶向下 的设计方法。 自底向上（Bottom-up ）的设计过程从最底层设计开始。设计系统硬件时，首先选择 具体的元器件，用这些元器件通过逻辑电路设计，完成系统中各独立功能模块的设计，再 把这些功能模块连接起来，总装成完整的硬件系统。 这种设计过程在进行传统的手工电路设计时经常用到，优点是符合硬件设计工程师传 统的设计习惯；缺点是在进行底层设计时，缺乏对整个电子系统总体性能的把握，在整个 系统设计完成后，如果发现性能尚待改进，修改起来比较困难，因而设计周期长。 随着集成电路设计规模的不断扩大，复杂度的不断提高，传统的电路原理图输入法已 经无法满足设计的要求。EDA 工具和 HDL 语言的产生使自顶向下 （Top-Down ）的设计方 法得以实现。 自顶向下 （Top-down ）的设计方法是在顶层设计中，把整个系统看成是包含输入输出 端 口的单个模块，对系统级进行仿真、纠错，然后对顶层进行功能方框图和结构的划分，即 从整个系统的功能出发，按一定原则将系统分成若干子系统，再将每个子系统分成若干个 功能模块，再将每个模块分成若干小的模块……直至分成许多基本模块实现。这样将系统 模