小型数字系统综合设计

编程入门行业动态更新时间:2024-10-09 00:45:26

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小型数字系统综合设计

数字系统的设计流程

1、数字系统的需求分析

外部整体输入、输出分析，包括数据、控制信号与状态

2、功能部件设计（分模块设计）

得到内部的控制信号、状态

3、构建数据通路

从数据流动的角度，连接各功能部件

4、构建控制单元

绘制系统状态图 构建状态转换电路 构建输出函数电路（生成所需要的内部、外部控制信号，产生状态输出） 构建控制单元

5、系统集成联调

从控制流角度，连接控制单元（4）和各执行部件构成的数据通路（3）

实验终极目标

构建小型数字系统 —— 逆向运动码表 运动码表初步功能需求分析 运动码表的外部特性 ➢ 输入： 4 个按钮；输出： 4 个 7 段数码管 运动码表的功能 ➢ Start ：计时器复位，继续 开始倒计时 ➢ Stop ： 暂停计时 ，显示当前剩余时间 ➢ Store ：尝试 更新系统记录的计时数据 （ 满足条件：当前计时数据 > 系统记录 ） ➢ Reset ：复位 ，使得计时器 = 99.99 ，系统记录 = 00.00 运动码表编辑界面

实验任务分解

数字系统部件设计 同步时序逻辑

组合逻辑

一、组合逻辑部件设计

实验任务 ➢ * 2 路选择器设计 ➢ * 16 位无符号比较器设计 ➢ 码表数码管显示驱动设计

（一）：2路选择器（16位）设计*

外观

2 路选择器（ 16位）的外部特性 ➢ 输入： 16 位的输入 X ， Y ；选择控制信号 Sel ➢ 输出： 16 位输出 Out ➢ 功能： out = （ Sel==0 ） ? X:Y 当 Sel 为 0 ，选择 X 作为输出；否则，选择 Y 输出 设计思路： 先构建 1 位 2 路选择器，再并发为 16 位

1. 构建2路选择器（1位）

➢ 输入： 1 位输入 X ， Y ；选择控制信号 Sel ➢ 功能： out = （ Sel==0 ） ? X:Y ➢ 输出：1位Out 电路连接 手动绘制

利用真值表或逻辑表达 式自动生成电路 Out=Sel X1 + X0 ~Sel

2、复制产生16个2路选择器（1位），连接形成1个2路选择器（16位）*

电路连接（只能手动连接）

要先用分线器将X和Y分成四位

测试结果（PASS）

（二）：16位无符号比较器

无符号比较器的外部特性 ➢ 输入： 16 位的输入 X ， Y ； ➢ 输出：大于（ 1 位），等于（ 1 位），小于（ 1 位） ➢ 功能：无符号比较两个输入，输出结果。 外观 设计思路： 先构建 4 位的无符号比较器，进而再扩展为 16 位 *

1. 构造4位无符号比较器

➢ 输入： 4 位的输入 X ， Y ； ➢ 功能：无符号比较（当 X>Y 时， Great = 1 ） ➢ 输出：大于（ 1 位），等于（ 1 位），小于（ 1 位）

外观

简易真值表

连接电路

手动绘制

利用真值表或逻辑表达 式自动生成电路

Great=X0 ~Y3 ~Y2 ~Y1 ~Y0 + X1 ~Y3 ~Y2 ~Y1 + X1 X0 ~Y3 ~Y2 ~Y0 + X2 ~Y3 ~Y2 + X2 X0 ~Y3 ~Y1 ~Y0 + X2 X1 ~Y3 ~Y1 + X2 X1 X0 ~Y3 ~Y0 + X3 ~Y3 + X3 X0 ~Y2 ~Y1 ~Y0 + X3 X1 ~Y2 ~Y1 + X3 X1 X0 ~Y2 ~Y0 + X3 X2 ~Y2 + X3 X2 X0 ~Y1 ~Y0 + X3 X2 X1 ~Y1 + X3 X2 X1 X0 ~Y0

Equal=~X3 ~X2 ~X1 ~X0 ~Y3 ~Y2 ~Y1 ~Y0 + ~X3 ~X2 ~X1 X0 ~Y3 ~Y2 ~Y1 Y0 + ~X3 ~X2 X1 ~X0 ~Y3 ~Y2 Y1 ~Y0 + ~X3 ~X2 X1 X0 ~Y3 ~Y2 Y1 Y0 + ~X3 X2 ~X1 ~X0 ~Y3 Y2 ~Y1 ~Y0 + ~X3 X2 ~X1 X0 ~Y3 Y2 ~Y1 Y0 + ~X3 X2 X1 ~X0 ~Y3 Y2 Y1 ~Y0 + ~X3 X2 X1 X0 ~Y3 Y2 Y1 Y0 + X3 ~X2 ~X1 ~X0 Y3 ~Y2 ~Y1 ~Y0 + X3 ~X2 ~X1 X0 Y3 ~Y2 ~Y1 Y0 + X3 ~X2 X1 ~X0 Y3 ~Y2 Y1 ~Y0 + X3 ~X2 X1 X0 Y3 ~Y2 Y1 Y0 + X3 X2 ~X1 ~X0 Y3 Y2 ~Y1 ~Y0 + X3 X2 ~X1 X0 Y3 Y2 ~Y1 Y0 + X3 X2 X1 ~X0 Y3 Y2 Y1 ~Y0 + X3 X2 X1 X0 Y3 Y2 Y1 Y0

Less=~X3 ~X2 ~X1 ~X0 Y0 + ~X3 ~X2 ~X1 Y1 + ~X3 ~X2 ~X0 Y1 Y0 + ~X3 ~X2 Y2 + ~X3 ~X1 ~X0 Y2 Y0 + ~X3 ~X1 Y2 Y1 + ~X3 ~X0 Y2 Y1 Y0 + ~X3 Y3 + ~X2 ~X1 ~X0 Y3 Y0 + ~X2 ~X1 Y3 Y1 + ~X2 ~X0 Y3 Y1 Y0 + ~X2 Y3 Y2 + ~X1 ~X0 Y3 Y2 Y0 + ~X1 Y3 Y2 Y1 + ~X0 Y3 Y2 Y1 Y0

2、复制产生4个4位的比较器，再级连接形成1个16位的比较器

（ 1 ） X 、 Y 中每 4 位对应 1 个 4 位比较器 ➢ 用已有隧道标签进行连接 （ 2 ）分析 4 个 4 位比较器的输出 与最终输出的 逻辑关系， 生成级联电路 电路连接（只能手动绘制）

自动测试结果

（三）：码表数码管的驱动

➢ 输入： 16 位的 BCD 码（ 4 位的 10 进制数）； ➢ 输出： 4 个 7 段数码管的控制信号（共 32 位） 码表显示驱动的外部特性 设计思路： ➢ 利用新手实验已经构建的 1 个 7 段数码管驱动 ， 并发形 成 4 个 7 段数码管的驱动 电路连接（手动绘制）

码表数码管驱动的测试 1 、 自行新建 一个“码表显示驱 动测试”文件 2 、在文件中 建立 起如右图所示 的 测试电路 。 ➢ 添加码表显示驱动、常量、 7 段数 码管、分线器等组件 ➢ 定义输入、输出的标签隧道 ➢ 完成连接 新建电路文件

要调节显示的数字时，如下图所示点击常量符号，在左下角对常量的属性进行修改

二、同步时序逻辑电路概述

一般设计流程 ➢ 构建状态图 ➢ 构建状态转换逻辑 ➢ 构建输出函数的逻辑 ➢ 实现电路 实验任务 ➢ * 16 位寄存器（ 16 位并行加载寄存器） ➢ 4 位反向时间计数器（ 4 位 BCD 计数器） ➢ 码表计数器

（一）：16位并行加载寄存器

16 位并行加载寄存器的外部特性 ➢ 输入： 16 位的输入 Din ，使能信号 En ； ➢ 输出： 16 位输出 Q ➢ 功能： Din → Q

设计思路： 先构建 4 位寄存器，再并发为 16 位寄存器

1. 构建 4位并行加载寄存器*

➢ 输入： Din （ 4 位）； 使能信号 En ➢ 功能： Din → Q ➢ 输出： Q （ 4 位） 电路连接

2、复制产生4个4位寄存器，再并联接形成1个16位并行加载寄存器

电路连接

（二）：4位BCD反向计数器

4位BCD反向计数器的外部特性

➢ 输入：时钟信号 CLK ，使能信号 En ，异步复位 Rst ； ➢ 输出： 4 位输出 Q ，进位输出信号 Cout ➢ 功能：

利用真值表或逻辑表达 式自动生成电路

BCD计数器状态转换

N3=~S3 ~S2 ~S1 ~S0 + S3 S0 + S3 S1 + S3 S2

N2=S2 S0 + S2 S1 + S3 ~S2 ~S1 ~S0

N1=S1 S0 + S2 ~S1 ~S0 + S3 ~S1 ~S0

N0=~S0

BCD计数器输出函数

Cout=~S3 ~S2 ~S1 ~S0

4位BCD计数器（手动绘制）

（三）：码表计数器（ 16 位输出） 码表反向 计数器的外部特性 ➢ 输入：时钟信号 CLK ，使能信号 En ，异步复位 Rst ； ➢ 输出： 16 位输出 Q ➢ 结构： 包含 4 个 BCD 码反向计数器 ➢ 功能： 低位计数器从 0 到 9 时，相邻高位计数器减 1 设计思路： 利用 4 个的 4 位 BCD 计数器级联而成

电路连接（手动绘制） 码表计数器自动测试

三、运动码表控制单元构建（重点！！）

外部的控制输入信号 ➢ Start 、 Stop 、 Store 、 Reset 定义控制单元的输出信号 ➢ SD-SEL 、 SD-EN 、 TM-EN 、 TM-Rest 、 DP-SEL 内部的状态反馈信号 ➢ NewRecord