數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計-控制器與Rom

1、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計1ZDMCqSimilar to a PLA structure but with a fully decoded AND array Completely flexible OR array (unlike PAL)n address lines inputsdecoder2n wordlines outputsmemoryarray(2n wordsby m bits)m data lines復習復習數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計2ZDMC復習復習數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計3ZDMCqRead operation: 1. Select row 2. Cell pulls one line low and on

2、e high 3. Sense output on bit and bitqWrite operation: 1. Drive bit lines (e.g, bit=1, bit=0) 2. Select rowqWhy does this work? When one bit-line is low, it will force output high; that will set new state6-Transistor SRAM Cellbitbitword(row select)1001復習復習數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計4ZDMC二、SRAM的存儲單元作存儲單元觸發(fā)器，為基本RSTT41相通、與

3、、導通，行中被選中，時，能在jjiBBQQTTX6511,單元與緩沖器相連列第行第導通，這時時，所在列被選中，jiTTYj871,，讀操作截止，與導通，則若時，當OIQAAAWRSC32110,，寫操作導通，與截止，則若QOIAAAWR3210,六管N溝道增強型MOS管復習復習數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計5ZDMCABCF00010010010101101000101011011111CC01ABS1S0F01234:1 MUXCC01FCAB0123456710100011S28:1 MUXS1S0q2n-1:1 mux can implement any function of n variables W

4、ith n-1 variables used as control inputs and Data inputs tied to the last variable or its complementqExample: F(A,B,C) = m0 + m2 + m6 + m7 = ABC + ABC + ABC + ABC = AB(C) + AB(C) + AB(0) + AB(1)復習復習數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計6ZDMCqGeneralizationqExample: F(A,B,C,D) implemented by an 8:1 MUXn-1 mux control variablessingl

5、e mux data variablefour possibleconfigurationsof truth table rowscan be expressedas a function of Inchoose A,B,C as control variablesmultiplexer implementationI0I1. . . In-1In F.00011.101010InIn1CAB012345671D01DDDDS28:1 MUXS1S010101100DA11010110BC復習復習數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計ZDMCMay 3, 2016數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計8ZDMCq數(shù)據(jù)通道單元的所有微操作都是由控

6、制單元啟動，產(chǎn)生微操作控制序列信號的控制單元是一個時序電路，它的各種狀態(tài)(指內(nèi)部狀態(tài))表示系統(tǒng)的各個控制功能。q控制單元是為啟動數(shù)字系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理器的微操作提供控制信號時間序列的。 控制單元數(shù)據(jù)通道單元輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸入信號（外部）控制信號狀態(tài)信號數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計9ZDMCq控制器是一個時序電路，完全可以按時序電路的設(shè)計方法進行設(shè)計。 q寄存器傳送方法基礎(chǔ)上的。一般有下述四種方法： 每個狀態(tài)一個觸發(fā)器（one-hot）； 序列寄存器譯碼器法； PLA控制法； 微程序控制法；數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計10ZDMCq狀態(tài)機是指按有序方式遍歷預先確定的狀態(tài)序列的數(shù)字邏輯功能電路。 q狀態(tài)機是組合邏輯和寄存器邏輯的特

7、殊組合，它包括兩個主要部分：即組合邏輯部分和寄存器部分。 q寄存器用于存儲狀態(tài)機內(nèi)部狀態(tài)；組合邏輯部分又可分為狀態(tài)譯碼器和輸出譯碼器，狀態(tài)譯碼器確定狀態(tài)機的下一個狀態(tài)，即確定狀態(tài)機的激勵方程，輸出譯碼器確定狀態(tài)機的輸出，即確定狀態(tài)機的輸出方程。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計11ZDMCq狀態(tài)機內(nèi)部狀態(tài)轉(zhuǎn)換。遍歷某一確定的狀態(tài)序列，其中次態(tài)由次態(tài)譯碼器根據(jù)現(xiàn)態(tài)和輸入條件來確定。 q根據(jù)狀態(tài)變化(稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移)產(chǎn)生輸出信號。輸出譯碼器根據(jù)現(xiàn)態(tài)和輸入條件可確定輸出信號。 q狀態(tài)機有三種表示方法： 狀態(tài)圖 狀態(tài)表 流程圖數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計12ZDMCqMealy狀態(tài)機和Moore狀態(tài)機。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計13ZDMCq對輸出加入寄

8、存器是一個行之有效的方法。通過在時鐘邊沿取樣輸出信號，可以極大地消除毛刺帶來的影響 。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計14ZDMCState Elements數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計15ZDMCFinite State Machines數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計16ZDMC endcase數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計17ZDMCqAlgorithmic State Machine Chart ， ASMqASM圖用來描述控制器不同時間內(nèi)應完成的一系列操作，指出控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件以及控制器的輸出。qASM圖又稱為算法狀態(tài)機圖，它用符合來表示系統(tǒng)的時序操作，類似于流程圖的形式，但又不同于流程圖。 qASM圖中不僅反映了工作順序，而且還表明了控制器的狀態(tài)

9、轉(zhuǎn)換順序 。 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計18ZDMCqASM圖：狀態(tài)框q數(shù)字系統(tǒng)控制序列中的狀態(tài)用狀態(tài)框表示，狀態(tài)框的形狀是一個矩形，框內(nèi)標出在此狀態(tài)下實現(xiàn)的寄存器傳輸操作或輸出輸出，狀態(tài)的名稱置于狀態(tài)框的左上角，分配給狀態(tài)的二進制代碼置于狀態(tài)框的右上角。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計19ZDMCq菱形框內(nèi)填寫條件變量的判斷條件，經(jīng)判斷框后狀態(tài)轉(zhuǎn)移出現(xiàn)兩個或多個分支，如圖7.6中(a)所示。若條件是真，選定一個分支，若條件是假，選定另一個分支。圖7.6 (b)是由兩個判斷框構(gòu)成ASM圖的實例。 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計20ZDMCq條件框的形狀為橢圓形，框內(nèi)填寫數(shù)據(jù)子系統(tǒng)進行的條件操作，框外填寫必需的條件輸出，條件框的輸入通道必定來自判

10、斷框的分支，即條件框的操作或輸出必須是在同時滿足狀態(tài)與條件的情況下才進行。q如圖8.7 (b)所示。當系統(tǒng)處于狀態(tài)S1時，如果條件X1=0，那么CLR被清“0”，否則CLR保持不變，同時不論X1為何值，系統(tǒng)的下一狀態(tài)都是S2。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計21ZDMCqASM塊描述了一個時鐘周期內(nèi)系統(tǒng)的工作情況，它包括數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和控制器兩個方面，即在當前狀態(tài)及條件下，數(shù)據(jù)子系統(tǒng)所完成的各種操作以及控制器轉(zhuǎn)換的后續(xù)狀態(tài)。所有的操作和狀態(tài)轉(zhuǎn)換都發(fā)生在時鐘的同一個跳變邊沿。所以ASM圖是按時鐘的節(jié)拍描述整個數(shù)字系統(tǒng)的操作。系統(tǒng)的主時鐘不僅作用到數(shù)據(jù)子系統(tǒng)的寄存器上，而且也作用到控制器的觸發(fā)器上。 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計22ZD

11、MCq圖中A是一個四位移位寄存器，同步清零和移位置數(shù)，其中A3為A的最高位，RUN為外部輸入的異步變量，LODA為移位置數(shù)變量，它為條件輸出即LODA=S1A3RUN。q注意A0A1A2A3(順序) 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計23ZDMC狀態(tài)機現(xiàn)態(tài)條件變量移位寄存器內(nèi)容狀態(tài)機次態(tài)A3RUNA0A1A2A3S00000S1S101000S1S101100S1S101110S1S101111S1S1101111S0S00000S1S1111111S2S21010S0數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計24ZDMCq流程圖中的工作塊基本上對應了ASM圖中的狀態(tài)框。但如果工作塊的操作不能在一個CP內(nèi)同時進行，在ASM圖中就必須將其分為幾個

12、狀態(tài)框，在這幾個狀態(tài)之間實現(xiàn)無條件轉(zhuǎn)移。 q流程圖中的判斷塊基本上對應了ASM圖中的判斷框。 如果判斷條件是上個操作的結(jié)果，那么在ASM圖中應在此判斷框前增加一個狀態(tài)框。 如果不增加一個狀態(tài)框，則判斷條件對應于前一個CP的工作塊的操作結(jié)果。 q在ASM圖的最上層加一個起始狀態(tài)。 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計25ZDMCq串行數(shù)據(jù)序列是每個時鐘周期傳送一個數(shù)據(jù)0或1的數(shù)據(jù)流。設(shè)x為輸入的串行數(shù)據(jù)序列。當檢測到數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)所需的010數(shù)據(jù)時，使檢測器的輸出Z為1。試畫出其ASM圖。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計26ZDMCq某計數(shù)器型控制器的ASM圖,請根據(jù)圖中的狀態(tài)分配設(shè)計出對應的電路。 系統(tǒng)有一個外輸入X，兩個輸出命令Z1和Z

13、2，三個狀態(tài)S0、S1和S2，即需要兩個觸發(fā)器來設(shè)置兩個狀態(tài)變量Q1Q2。觸發(fā)器可采用JK型或D型觸發(fā)器，此處采用D型觸發(fā)器。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計27ZDMC現(xiàn)態(tài)次態(tài)轉(zhuǎn)換條件Q2Q1XQ2n+1Q1n+1Z2Z100010110011101010000100000110000該表為簡化狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，因為10和11狀態(tài)與輸入X無關(guān)，所以對應于該兩行X值可作為任意項處理。 設(shè)0l的次態(tài)為00，以保證一旦出現(xiàn)0l狀態(tài)后（電路自啟動），經(jīng)過一個時鐘周期可以自動回到有用狀態(tài)循環(huán)。 觸發(fā)器的驅(qū)動方程：1212QQQn1121Q XnQQ 輸出方程： 221ZQQX121QZQ 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計28ZDMCq實際應用問題

14、進行分析和歸納，以確定控制系統(tǒng)的任務(wù)以及要實現(xiàn)的功能。 q列出采用的狀態(tài)機全部可能的狀態(tài)，并對每一個狀態(tài)進行狀態(tài)編碼及定義相應的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。q根據(jù)狀態(tài)圖(或把狀態(tài)圖轉(zhuǎn)化為狀態(tài)表，并對狀態(tài)圖和狀態(tài)表進行必要的簡化處理)和輸出函數(shù)，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。q建立激勵函數(shù)和輸出函數(shù)，畫出邏輯電路。 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計29ZDMCq某數(shù)字系統(tǒng)的控制器ASM圖，試設(shè)計對應的邏輯電路圖。 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計30ZDMCMOS: Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect TransistorVGS(th)稱為MOS管的開啟電壓VGS=0漏極和源極之間相當于兩個PN結(jié)背向地串聯(lián)，所以D-S間

15、不導通. iD=0數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計31ZDMCCross SectionThe gate acts like a capacitor. A high voltage on the gate attracts charge into the channel. If a voltage exists between the source and drain a current will flow. In its simplest approximation the device acts like a switch. Top ViewqMOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transist