XRFIC0954前面幾章介紹的數(shù)據(jù)選擇器、比較器、加法器、計數(shù)器等電路,都是只能實(shí)現(xiàn)某種單一的特定功能,因此稱為功能部件級電路。由若干這樣的數(shù)字電路和邏輯部件構(gòu)成的,按一定順序處理和傳輸數(shù)字信號的設(shè)備,稱為數(shù)字系統(tǒng)。電子計算機(jī)、數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字電視等就是常見的數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以劃分為數(shù)據(jù)處理單元和控制單元兩部分,如圖10,1,1所示。因此,數(shù)字系統(tǒng)中的二進(jìn)制信息也劃分成數(shù)據(jù)信息和控制信息兩大類。

數(shù)據(jù)處理單元接受控制單元發(fā)來的控制信號,對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、移位操作等處理,然后輸出數(shù)據(jù),并將處理過程中產(chǎn)生的狀態(tài)信息反饋到控制單元,數(shù)據(jù)處理單元也稱為數(shù)據(jù)通路(Datapath)。控制單元根據(jù)外部輸人信號及數(shù)據(jù)處理單元提供的狀態(tài)信息,決定下一步要完成的操作,并向數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出控制信號以控制其完成該操作。通常以是否有控制單元作為區(qū)別功能部件和數(shù)字系統(tǒng)的標(biāo)志,凡是包含控制單元且能按順序進(jìn)行操作的系統(tǒng),不論規(guī)模大小,一律稱為數(shù)字系統(tǒng),否則只能算是一個子系統(tǒng)部件,不能稱為一個獨(dú)立的數(shù)字系統(tǒng)。例如,大容量存儲器盡管電路規(guī)模很大,但也不能稱為數(shù)字系統(tǒng)。

數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法可分為兩大類,即自下而上的設(shè)計方法和自上而下的設(shè)計方法�，F(xiàn)分別介紹如下:

自下而上的設(shè)計方法，數(shù)字系統(tǒng)自下而上的設(shè)計是一種試探法。設(shè)計者根據(jù)自己的經(jīng)驗將規(guī)模大、功能復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)按邏輯功能劃分成若干子模塊,一直分到這些子模塊可以用經(jīng)典的方法和標(biāo)準(zhǔn)的邏輯功能部件進(jìn)行設(shè)計,最后將整個系統(tǒng)安裝、調(diào)試達(dá)到設(shè)計要求。

自下而上設(shè)計方法具有如下特點(diǎn):

這種設(shè)計方法沒有明顯的規(guī)律可循,主要依靠設(shè)計者的實(shí)踐經(jīng)驗和熟練的設(shè)計技巧,用逐步試探的方法最后設(shè)計出一個完整的數(shù)字系統(tǒng)。

系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)只有在系統(tǒng)構(gòu)成后才能分析測試。如果系統(tǒng)設(shè)計存在比較大的問題,也有可能要重新設(shè)計,使得設(shè)計周期加長、資源浪費(fèi)也較大。

盡管自下而上的硬件設(shè)計方法,在實(shí)際運(yùn)用的一定范圍內(nèi)解決了不少問題,而且目前應(yīng)用還比較普遍,但隨著計算機(jī)技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展,這種設(shè)計方法日益顯得陳舊,取而代之的是自上而下的設(shè)計方法。

自上而下的設(shè)計方法是針對數(shù)字系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),將系統(tǒng)的設(shè)計分層次、分模塊進(jìn)行。通常將整個系統(tǒng)從邏輯上劃分成控制單元和處理單元兩大

部分。如果控制單元和處理單元仍比較復(fù)雜,可以在控制單元和處理單元內(nèi)部

多重地進(jìn)行邏輯劃分,分解成幾個子模塊進(jìn)行邏輯設(shè)計,給出實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件和軟件描述,最后得到所要求的數(shù)字系統(tǒng)。

自上而下的設(shè)計方法一般要遵循下列幾個步驟:

明確所要設(shè)計系統(tǒng)的功能,進(jìn)行邏輯抽象。設(shè)計題目通常是比較簡單的文字?jǐn)⑹?沒有細(xì)節(jié)說明,設(shè)計者必須對題目消化、理解,逐步明確并抽象出系統(tǒng)要完成的邏輯功能。

確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的算法,畫出系統(tǒng)方框圖。算法設(shè)計實(shí)質(zhì)是將系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能進(jìn)行分解,分成若干子功能模塊,并確定各功能模塊的操作順序和相互聯(lián)系,畫出系統(tǒng)的方框圖。確定數(shù)字系統(tǒng)的算法是設(shè)計的關(guān)鍵步驟,也是最困難、最具有創(chuàng)造性的一步。但由于數(shù)字系統(tǒng)邏輯功能的多樣性,至今仍沒有一種通用合理的方法導(dǎo)出算法。

設(shè)計數(shù)據(jù)處理單元。首先明確數(shù)據(jù)處理單元的基本運(yùn)算和操作,它們可以是算術(shù)和邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)的存儲、變換和傳送等。選用通用集成電路芯片或硬件描述語言實(shí)現(xiàn)其功能。