现代电子系统设计课件第二章

总体方框图
南北向 东西向
R10 C10 ME MS P 秒脉冲 发生器
R1 C1
R2 C2
R3 C3
R4 C4
R5 C5
C6 C7
R6 R7 R8 R9
南北向 行人 东西向 行人 南北向 行人等待 东西向 行人等待
控制器 C8 C9 40秒 定时器 60秒 定时器
流程图
由简到详
分析系统有几种工作方式
2-1-2设计数字系统的基本步骤
（1）明确设计要求
消化理解设计任务，将设计要求罗列成条，每一条都应是无二义的。 明确设计系统的逻辑功能及性能指标，应能画出表明输入输出信号及 必要指标的系统简单示意框图。
（2）确定系统方案（方框图、流程图或描述语言描述）
最具创造性的一步，系统要完成的每一个功能可能有不同的实现方案， 而方案的优劣直接关系到系统的质量及性价比，因此要反复比较与权 衡。
第2章
1. 2. 3. 4.
数字系统设计
数字系统的基本结构以及一般设计方法； 数字系统设计的描述方法； 数据子系统及控制子系统的设计与实现； 数字系统设计举例。
§2-1 概述
1.数字系统
数字电路又名数字系统。 定义：用数字信号完成对数字量进行算 术运算和逻辑运算的电路称为数字电路， 或数字系统。由于它具有逻辑运算和逻 辑处理功能，所以又称数字逻辑电路。 数字系统是一个能完成一系列复杂操作 的逻辑单元。
用带符号的圆圈表示状态； 用带箭头的定向线表示状态的转移； 状态转移的条件写在定向线旁； 输出写在状态的圆圈外，用向上箭头表示有效， 向下箭头表示无效，同时标有向上和向下箭头 表示进入状态时有效，出了状态就无效； 条件输出表示为状态与条件的乘积，写在状态 圈外； X Si* Sj 表示变量X是异步的
移位
A SHIFT
S1
状态 S0 S0 S1
2-5-2控制器的硬件实现
控制器是一个同步时序电路，它由状态寄存 器和组合电路组成。
常用的状态寄存器 计数器、移位寄存器（74195、CD4015） 以及D（JK）触发器等。
使用计数器、移位寄存器（74195、CD4015） 时，要进行状态编码； 用D（JK）触发器时，状态可以编码（当状态比 较多时），也可以一个状态分配一个触发器 （当状态比较少时）。
系统示意方框图
行人请求 警察控制 控制器 指示灯
定时器
秒脉冲 发生器
指示灯面板
通行 等待 禁止
§2-3 确定系统方案
找出实现上述设计要求的方法，即确定实现 系统逻辑功能的算法。 要有意识地将系统分为控制和受控两部分
流程图 系统设计要求 总体方框图 简单 详细
或描述语言描述
例1
如果用单片机等微处理器，我们主要完成软件算法 的设计（描述语言描述） 这里我们用组合逻辑电路 （总体方框图、流程图）
秒脉冲发生器
用CD4060及32768晶振作为2Hz、4Hz、8Hz等 时钟脉冲源时，典型接线方法如下图，从计数器输 出端可以得到多种32.678kHz的分频脉冲。
40秒和60秒定时器及相应的显示器：
74LS190 TTL电路 BCD同步加/减计数器
CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码 管）显示器的 BCD 码—七段码译码器
例
流程图→MDS图
初始化
START
N START Y 运算A
S0 START S1
例
流程图→MDS图
S0 Y N
AC
S0 S3
A=1 Y N
AB
N B=1 C=1 Y
AB AC
S2
S1
S1 S2 S3
例
流程图→MDS图
S0 N Y
A
S0
SHIFT S0 A
A
A=1
S1
CP
SHIFT↑↓
2.5.1.2 MDS图与流程图
数字系统的详细流程图表明了系统的操作内 容与顺序，可以从数字系统的详细流程图看 到系统的数据子系统的运算操作过程。把它 转换成MDS图，又得到了系统的控制子系 统的状态转换过程，从而可利用它来设计系 统的控制器。
由详细流程图导出MDS图的原则




流程图中的工作块对应了MDS图中的一个状态。当工作块内 有两个不能同时进行的操作时，应将此工作块分成两个状态， 而且这两个状态是无条件转换的。 实现工作块内操作所需要的控制信号和工作块的输出对应了控 制器在该状态时必须有的输出信号。 流程图的判断块对应了MDS图的分支，判断条件即MDS图中 状态转移条件。 流程图中的条件块对应了MDS图的条件输出。 如果流程图中的某一分支上出现了两个彼此独立的、与系统时 钟无关的异步变量，通常要重新组织流程图，即要定义一个新 的状态，使在每个状态的分支上只有一个异步变量。 （因为如果两个异步变量的持续时间都很短，那么以此为转移 条件满足的概率就非常小，增加状态就使所设计的电路能捕获 到这两个异步变量）
受控器
数据输入 数据输出
数据子系统
控制与条件信号
时钟 控制器
控制子系统
外部控制信号
数据子系统主要完成数据的采集、存储、运算处理 和传输；主要由存储器、运算器、数据选择器等部 件组成。 数字子系统的设计依据——系统功能的算法。 控制子系统是执行算法的核心，由一些组合逻辑电 路和触发器等元件组成，是一个具有记忆能力的时 序系统。 控制子系统的设计依据——系统功能及数据子 系统的要求。
组合电路 可以用门电路及组合模块电路
如数据选择器、译码器、编码器等。
也可以用ROM编写微程序实现。
当控制器是由模块电路构成时，称其为控制 器的硬件实现；当采用ROM时，称其为控 制器的微程序实现。
控制器的硬件实现举例：
R、A为输入信号，Ci为 输出信号。采用D触发 器作为状态寄存器，用 两种方法来实现与此 MDS图对应的控制器。
优点：低功耗，04为常用器件，价格低廉 （用CMOS门路构成的RC时钟源见书图2-103b）
秒脉冲发生器
晶振振荡器 （书图2-103a） 用CD4060及32768晶振
CD4060： CMOS 14级二进制计数-分频-振荡器
① 由14级二进制计数器和非门组成的 振荡器组成，外接振荡电路可以做时 钟源。其输出端Q4～Q14构成16～ 18384分频系数。 ② CP1：时钟输入端，下降沿计数； CP0：时钟输出端； 0 ：反向时钟 CP 输出端。 ③ RD清零端为异步清零。
？
绘制简单的流程图
流程图：
• 方框表示系统的操作 • 菱形表示判断 • 两条横杠的方框表示条件操作
？
？ ？
？
？
绘制中捕捉问题，回到第 一步，进一步明确设计要 求 ，细化流程图
根据简单流程图进一步细化系统设计要求
在车辆直行状态下的前20秒，响应同方向的行人 穿越请求。其它情况不响应 行人穿越时，各路右拐禁止；车辆行驶时间指示关 闭，行人时间指示开启（60秒） 行人穿越时间结束转到相应的下一个状态 警察控制请求立即响应，警察控制时，各路口的时 间指示关闭 警察控制请求结束后转到初始状态 状态间的转换间歇时间为2秒，此时各路口红灯禁 行
C0 S 0
C1 S1 S 2
C2 S 2 S 3 S 4 C3 S 3
画出完整的逻辑电路图
A Q2 Q1 Q0 S0 R A Q1 Q0 S0 R A & ≥1 & D2 D R 2 ≥1
=1
Q2
74LS138 DEC 0 1 2 3 4 5 6 7 S0 S1 S2 S3 S4 C0 1 1 1 1 1 ≥1 C3 ≥1 C1 C2
除“系统功能级”不同层次上的设计描述和对 象
行为处理级 寄存器传输级
性能指标 流程图 算法 寄存器传输方程 算法
逻辑方程 时序状态 微分方程 函数
处理器 控制器 存储器、总线等 ALU、数据选择器 寄存器、存储器等
门 触发器 晶体管 连线
逻辑级（门级）
电路器件级 （晶体管级）
行为描述
结构描述
2-1-1数字系统的基本组成
（3）受控器的设计
实用的受控器电原理图
（4）控制器的设计（MDS图）
系统方案的模型——>MDS图；实用的控制器电原理图
（5）整个设计过程中尽可能多地利用EDA软件，及时进行逻辑仿 真、优化，以保证设计工作优质快速地完成。
§2-2明确设计要求
例1 设计一个十字路口交通灯控制系统 （1）车道：只有汽车，车直行时不允许左拐，可 以同时进行右拐，左拐时计时 （2）车辆控制灯：（绿灯）直行、左拐、右拐， 红灯 （3）通行时间：40秒，倒计时 （4）人行：需提出申请，并且只在车辆直行时才 响应，穿越时间60秒 （5）警察权限：可以随时指定系统停在某个状态 （6）无联网要求
用D（JK）触发器时，状态 可以编码（当状态比较多 时），也可以一个状态分配 一个触发器（当状态比较少 时）。
（1）状态编码方式
编码
总共有5个状态，需要3 个D触发器，采用3位二 进制编码
画出激励函数卡诺图并列出函数表达式
D2
Q1Q0 Q2 0 1 00 0 A 01 0 φ 11 1 φ 10 0 φ
例1 十字路口交通灯控制系统
南北向 东西向
R10 C10 ME MS P 秒脉冲 发生器
R1 C1
R2 C2
R3 C3
R4 C4
R5 C5
C6 C7
R6 R7 R8 R9
南北向 行人 东西向 行人 南北向 行人等待 东西向 行人等待
控制器 C8 C9 40秒 定时器 60秒 定时器
受控器主要分三部分： 1. 秒脉冲发生器； 2. 40秒和60秒定时 器及相应的显示器； 3. 各路口指示灯及 行人穿行指示灯
§2-5 控制器设计 2.5.1 MDS图
控制器硬件实现常用的工具——MDS图 MDS图的定义
MDS图是用助记符表示的状态图，类似于我们 学过的状态图，不同的是它还要用符号和表达 式来表示状态的转换条件和输出。
C1↑
A∙ C S0 S3
C2↓
MDS图的表示规则

A∙ B A∙B+A∙ C C2↑↓ S1 D S2 C3=S2·
& D1 D R +5V & ≥1 D0 D R CP RESET Q0 Q1
1 0
& EN
（2）一个D触发器对应一个状态
状态间的无条件转移硬件实现如图a，有条 件的状态转移见图b，用或门和数据分配器 来控制。
（2）一个D触发器对应一个状态
采用一个D触发器对应一个状态的方法，设 计简单明了，但要注意应正确地对控制电路 进行初始化。 初始化的含义是利用外部方法使控制器的初 始态只有一个状态触发器的输出为1，其他 均为0，然后再转入正常转换。 初始化可以利用D触发器的复位端和置位端。
2. 描述数字系统的方法
逻辑表达式、真值表、卡诺图、状态图等 MDS图 （1）系统模型描述法：用逻辑图、状态图、流程图等 来描述数字系统的方法。 ——该方法适用于相对简单的系统，这种系统 的输入、输出变量以及系统的状态都比较少，所需 要的寄存器也比较少。 （2）描述语言法：适用于当系统的输入、输出变量增 多、状态很多时，该描述语言表达的算法称为系统 的算法模型。
D1
Q1Q0 Q2 0 1 00 RA 0 01 1 φ 11 0 φ 10 1 φ
D0
Q1Q0 Q2 0 1 00 RA 0 01 1 φ 11 0 φ 10 1 φ
D2Leabharlann Baidu AQ2 Q1Q0
D1 S 0 RA Q1 Q0
D0 S 0 R A Q1 Q0
输出函数表达式：
对外送给控制器的条件信号有：
T=40；T=60；车辆前20秒计时T20
对内所需的控制信号有：
40秒计时控制信号CP1和置数信号； 60秒计时控制信号CP2和置数信号； 40秒定时显示的消隐信号； 60秒定时显示的消隐信号； 人行时，车辆通行时间的切换显示信号G； 各路口的指示灯的控制信号。
秒脉冲发生器
1. 用555设计频率为1Hz的多谐振荡器
振荡频率：f=1/T= t PH 占空系数： D
t PH R R2 1 T R1 2R2
1 1.43 t PL ( R1 2 R2 )C
当R2>>R1时，占空系数近似为50％。
秒脉冲发生器
RC回路构成时钟源
T≈1.4RC 非门74LS04
此图是我们实现设计 要求的具体算法，也 是我们设计控制子系 统的依据。
§2-4受控器（数据子系统）硬件设计
总体方案确定后，通过系统总体方框图和系 统详细流程图基本确定了受控器部分的形式， 我们下面的工作就是要选择合适的器件，画 出受控器的电原理图，标明所需的控制信号 及相应的输出信号。 在选择器件上，主要按照要求的系统指标， 如：速度要求，这就要进行相应的时序分析 设计，针对要求选择合适的器件。