数字电路系统的设计方法(共49张精选)课件.pptx

1、数字电路系统的设计方法有限状态机的设计为什么要使用状态机？v克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点克服了纯硬件数字系统顺序方式控制不灵活的缺点；v结构模式相对简单；结构模式相对简单；v容易构成性能良好的同步时序逻辑模块；容易构成性能良好的同步时序逻辑模块；vVHDL表述丰富多样；表述丰富多样；v在高速运算和控制方面有巨大的优势；在高速运算和控制方面有巨大的优势；v就可靠性而言，优势十清楚显。就可靠性而言，优势十清楚显。有限状态机的设计为什么要使用状态机？克服了纯硬件数字系统顺序有限状态机的设计有限状态机是广义的时序电路，主要功能是用来实一个实用的有限一个实用的有限状态机必须有复状态机必须

2、有复位信号。位信号。有限状态机V H D L 描述的内容1、至少包括一个状态信号，用来描述方式描述方式进程描述的功能进程描述的功能三进程描述方式三进程描述方式进程进程1 1：描述次态逻辑：描述次态逻辑进程进程2 2：描述状态寄存器：描述状态寄存器进程进程3 3：描述输出逻辑：描述输出逻辑双进程描述双进程描述方式方式形式形式1 1进程进程1 1：描述次态逻辑、输出逻辑：描述次态逻辑、输出逻辑进程进程2 2：描述状态寄存器：描述状态寄存器形式形式2 2进程进程1 1：描述次态逻辑、状态寄存器：描述次态逻辑、状态寄存器进程进程2 2：描述输出逻辑：描述输出逻辑形式形式3 3进程进程1 1：描述状态寄

3、存器、输出逻辑：描述状态寄存器、输出逻辑进程进程2 2：描述次态逻辑：描述次态逻辑单进程描述方式单进程描述方式进程进程1 1：描述次态逻辑、状态寄存器和输出：描述次态逻辑、状态寄存器和输出逻辑逻辑红色字体为红色字体为常用描述方式常用描述方式有限状态机的三种描述方式描述方式进程描述的功能进程1：描述次定义状态类型定义状态类型定义状态信号定义状态信号例1、三进程方式描述状态机L I B R A R Y I E E E;定义状态以当前状态和输入信以当前状态和输入信号为敏感信号号为敏感信号GreenGreen_ _redredYellowYellow_ _redredRedRed_ _greengre

4、enRedRed_ _yellowyellowTgTgTgTgTgTgTgTgTyTyTyTyTyTyTyTyP R O C E S S (p r e s e n t _ s t a t e,t g,t y)描END IF;WHEN red_yellow=IF ty=0 THENWHEN 0110=seg7 seg7 cp,clk=clk);ENTITY display2 ISWHEN red_yellow=lights=001010;IF rst=1 THEN count=0000;输入输出接口：完成数字量和其它量之间的转化当行、列信号交替变化到达一定的频率时，点阵上稳定显示0。ELSE c

5、ount=count+1;1、至少包括一个状态信号，用来指定有限状态机的状态；定时图时序图或时间关系图END PROCESS;以时钟为敏感信号以时钟为敏感信号E N D I F;P R O C E S S(c l k)描述状态存放器以时钟为以当前状态为以当前状态为敏感信号敏感信号描述输出逻辑P R O C E S S(p r e s e n t _ s t a t e)以当Green_redYellow_redRed_greenRed_yellowGreen_red仿真波形图G r e e n _ r e d Y e l l o w _ r e d R e d _ g r数字系统的设计方法数字

6、系统：由假设干数字电路和逻辑部件数据处子系统子系统输入控输入控制信号制信号输出控输出控制信号制信号信息信息输入输入输出输出信息信息控控 制制 器器输出输出接口接口输出输出接口接口输入输入接口接口输入输入接口接口子系统子系统子系统子系统时钟时钟数据处理器数据处理器子系统输入控制信号输出控制信号信息输出控 制 器输出输出输入随电路规模随电路规模和复杂程度和复杂程度的增加的增加!数字系统的设计方法传统的设计方法：随电路规模和复杂程度的增加现代的设计方法：硬件逻辑设计、软件逻辑设计及兼有两者优点的集T O P-D O WN 自顶向下方法第一步：系统的描述第二步：划数字系统的设计方法1、分析任务，确定实

7、体的端口；分分频频器器计计数数器器译译码码器器c p r s t s e g 7(6)s e g 7(0)例：实现十进制加法计LIBRARYIEEE;ENTITYdisplay1ISPORT(cp,rst:INSTD_LOGIC;seg7:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);ENDdisplay1;ARCHITECTUREaOFdisplay1ISSIGNALclk:STD_LOGIC;SIGNALtout:INTEGERrange0to9;SIGNALcount:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINP_1:PROCESS(cp)BEGINI

8、F(cpEVENTandcp=1)THENIFtout=9THENtout=0;ELSEtout=tout+1;L I B R A R Y I E E E;方分频模块降低分频比以便仿真ENDIF;IFtout=4THENclk=0;ELSEclk=1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;P_2:PROCESS(clk,rst)BEGINIFrst=1THENcount=1001THENcount=0000;ELSE countseg7seg7seg7seg7seg7seg7seg7seg7seg7seg7NULL;-ZZZZZZZENDCASE;ENDPROCESS;ENDa;P _

9、 3:P R O C E S S(c o u n t)译码模块LIBRARYIEEE;ENTITYfenpinISPORT(cp:INSTD_LOGIC;clk:OUTSTD_LOGIC);ENDfenpin;ARCHITECTUREaOFfenpinISSIGNALtout:INTEGERrange0to9;BEGINPROCESS(cp)BEGINIF(cpEVENTandcp=1)THENIFtout=9THENtout=0;ELSEtout=tout+1;ENDIF;IFtout=4THENclk=0;ELSEclk=1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;ENDa;L I

10、B R A R Y I E E E;方底层：分频器LIBRARYIEEE;ENTITYISPORT(clk,rst:INSTD_LOGIC;q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);ENDcounter;ARCHITECTUREaOFcounterISSIGNALcount:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);BEGINPROCESS(clk,rst)BEGINIFrst=1THENcount=1001THENcount=0000;ELSEcount=count+1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;qseg7seg7seg7seg7seg7

11、seg7seg7seg7seg7seg7NULL;ENDCASE;ENDPROCESS;ENDa;L I B R A R Y I E E E;底层：译码器LIBRARYIEEE;ENTITYdisplay2ISPORT(cp,rst:INSTD_LOGIC;seg7:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);ENDdisplay2;ARCHITECTUREaOFdisplay2ISPORT(cp:INSTD_LOGIC;clk:OUTSTD_LOGIC);PORT(clk,rst:INSTD_LOGIC;q:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);PORT

12、(count:INSTD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);seg7:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(6DOWNTO0);SIGNALclk:STD_LOGIC;SIGNALcount:STD_LOGIC_VECTOR(3DOWNTO0);L I B R A R Y I E E E;顶层文件BEGINu0:fenpinPORTMAP(cp=cp,clk=clk);u1:counterPORTMAP(clk=clk,rst=rst,q=count);u2:segmentPORTMAP(count=count,seg7=seg7);ENDa;B E G I Ncount lig

13、hts=001010;END traffic1;END display1;将系统层层划分为较简单部件的TOP-DOWN方法限流保护电阻100300欧左右CASE present_state ISBEGINIF rst=1 THENseg7:OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0);END PROCESS;用特定的几何图形、指向线和简练的文字说明，描述数字系统对信息的处理过程，以及控制单元所提供的控制步骤，以便于设计者发现和改进信息处理过程中的错误和缺乏，同时又是后续电路设计的依据这是为了防止出现不必要的锁存器。Mealy型有限状态机：输出信号不仅与当前状态有关，还与所有

14、的输入信号有关。建立顶层原理图建立顶层原理图文件文件c o u n t =0 0 0 0 ;建立顶层原理图文件方法三：2 7 例1：两人乒乓游戏机以8 个发光二极管代表乒乓球台，中间两2 8 两人乒乓游戏机结构框图2 9 数字系统的描述方法一方框图分频器分频器球台球台控制器控制器译码显示器译码显示器记分器记分器SA SBCPmSCSTOPCNT,Cr3 0 两人乒乓游戏机逻辑划分方框图分频器球台控制器译码显示器记3 1 数字系统的描述方法二定时图时序图或时间关系图3 2 数字系统的描述方法三A S MA l g o r i t h m i c 状态名或状态名或功能说明功能说明状状 态态输出表输

15、出表入口入口出口出口（A A）状态框状态框功能说明功能说明入口入口出口出口条条 件件输出表输出表（C C）条件输出框）条件输出框条件条件入口入口条件真出口条件真出口条件假出口条件假出口（B B）条件判别框）条件判别框NOYES3 3 A S M图的根本符号状态名或功能说明状 态输出表入口出口（启动启动等待发球等待发球甲发球？甲发球？乙发球？乙发球？靠近甲的靠近甲的L1灯亮灯亮靠近乙的靠近乙的L8灯亮灯亮球向乙移动球向乙移动球向甲移动球向甲移动乙击球？乙击球？甲击球？甲击球？球移动到球移动到L7？球移动到球移动到L2？结束，胜方得分结束，胜方得分YesYesYesYesYesYesNoNoNoN

16、oNoNo3 4 启动等待发球甲发球？乙发球？靠近甲的L 1 灯亮靠近乙的L 83 5 数字系统的描述方法四MD S Mn e m o n i c D o cWaitLight1Light8MoveBMoveAEndSA SBSA SBSA SBSA SB L7SA L2SA L2SB L73 6 Wa i t L i g h t 1 L i g h t 8 Mo v e B Mo v e A E n每个点都是一个每个点都是一个发光二极管发光二极管发光二极管与发光点阵每个点都是一个发光二极管发光二极管与发光点阵材料：特殊材料，常用材料为磷砷化镓发光8 88 8发发光光点点阵阵发发光光二二极极管

17、管+3V限流保护电限流保护电阻阻100300欧欧左右左右11发光二极管与发光点阵+3 V 限流保护电阻1 0 0 3 0 0 欧左右行行输输入入列输入列输入8 88 8发发光光点点阵阵10111111111010111发光二极管与发光点阵 1 0 1 1 1行行输输入入列输入列输入8 88 8发发光光点点阵阵0111111011011111111011111111011111111011当行、列信号交当行、列信号交替变化到达一定替变化到达一定的频率时，点阵的频率时，点阵上稳定显示上稳定显示0。010000100100001001111110发光二极管与发光点阵0 1 1 1 1 1 1 0 1

18、 1 0行行输输入入列输入列输入8 88 8发发光光点点阵阵01000000110000111101101111011011110110111101101111000011当行、列信号交当行、列信号交替变化到达一定替变化到达一定的频率时，点阵的频率时，点阵上稳定显示上稳定显示0。0010000000010000000010000000010000000010发光二极管与发光点阵0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0数字电路系统的设计方法(共4 9 张精选)课件变量只在定义它的进程中可见，假设要在变量只在定义它的进程中可见，假设要在进程之间传递信息，应使用信号而不能用变量。进程之间传递信息，

19、应使用信号而不能用变量。常见实验问题1、变量与信号的区别 变量只在定义A、定义了输出端口却从未给其赋值；、定义了输出端口却从未给其赋值；B、不完整的、不完整的IF语句导致此错误；语句导致此错误；常见实验问题2、编译错误提示m i s s i n g s o u r c e A、原因原因：在两个或多个进程中对同一个信号赋值。：在两个或多个进程中对同一个信号赋值。解决解决：需要两个信号，在各自的进程中进行读写：需要两个信号，在各自的进程中进行读写操作，同时对另一个信号的情况进行判断。操作，同时对另一个信号的情况进行判断。ERROR:Signal“shasmultiplesources常见实验问题3

20、、编译错误提示m u l t i p l e s o u r c e常见实验问题4、在组合逻辑进程中，其敏感向量表中要包含所有要初值只具有仿真意义初值只具有仿真意义，没有实际意义，不，没有实际意义，不能用初值来实现对系统的复位。能用初值来实现对系统的复位。复位必复位必须用一个按键来实现。须用一个按键来实现。常见实验问题6、初值问题初值只具有仿真意义，没有实际意义，不硬件描述语言的进程不能被调用，它是按照其敏感硬件描述语言的进程不能被调用，它是按照其敏感量的变化而执行。所以我们只能通过控制其敏感量量的变化而执行。所以我们只能通过控制其敏感量的变化快慢来控制其执行的频率。的变化快慢来控制其执行的频率。常见实验问题6、进程的执行由敏感量的变化来启动，其执行的频率