慎重地加以选择。总的原则是，所选择的方案既要能满足系统的
要求，又要结构简单，实现方便，具有较高的性能价格比。
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第7章 数字系统设计
2. 逻辑划分，导出系统框图
系统总体方案确定以后，可以根据数据子系统和控制子系统 各自的功能特点，将系统从逻辑上划分为数据子系统和控制子系 统两部分，导出包含有必要的数据信息、 控制信息和状态信息的 结构框图。逻辑划分的原则是， 怎样更有利于实现系统的工作原 理，就怎样进行逻辑划分。 为了不使这一步的工作太过复杂，结 构框图中的各个逻辑模块可以比较笼统、比较抽象，不必受具体 芯片型号的约束。
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第7章 数字系统设计 7.1.2 数字系统设计的一般过程
系统调研 ，确定总体 方案
逻辑划分 ，导出系统 框图
功能分解 ，构造数据 子系统
算法设计 ，实现控制 子系统
图 7 - 2 数字系统设计过程
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第7章 数字系统设计 1. 系统调研， 确定总体方案
接受一个数字系统的设计任务后，首先应对设计课题进行充
第7章 数字系统设计
第7章 数字系统设计
7.1 数字系统设计概述 7.2 控制子系统的设计工具 7.3 控制子系统的实现方法 7.4 数字系统设计举例
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第7章 数字系统设计
7.1 数字系统设计概述
1. 什么是数字系统
在数字电子技术领域内，由各种逻辑器件构成的能够实现某
种单一特定功能的电路称为功能部件级电路，例如前面各章介绍
分的调研， 深入了解待设计系统的功能、使用环境与使用要求，
选取合适的工作原理与实现方法，确定系统设计的总体方案。 这
是整个设计工作中最为困难也最体现设计者创意的一个环节。因
为同一功能的系统有多种工作原理和实现方法可供选择，方案的
优劣直接关系到所设计的整个数字系统的质量，所以必须对可以
采用的实现原理、 方法的优缺点进行全面、 综合的比较、 评判，
一般来讲， 数据子系统通常为人们熟悉的各种功能电路， 无论是采用现成模块还是自行设计，都有一些固定的方法可循， 不用花费太多精力。 相对说来， 控制子系统的设计要复杂得多。 因此，人们往往认为数字系统设计的主要任务就是要设计一个 好的控制子系统。
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第7章 数字系统设计
经过上述四个步骤后，数字系统设计在理论上已经完成。 为了保证系统设计的正确性和可靠性，如果有条件的话，可以先 采用EDA软件对所设计的系统进行仿真，然后再用具体器件搭设 电路。 搭设电路时，一般按自底向上的顺序进行。 这样做， 不 仅有利于单个电路的调试，而且也有利于整个系统的联调。因此， 严格地讲， 数字系统设计的完整过程应该是“自顶向下设计， 自底向上集成”。
整个操作进程。
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第7章 数字系统设计
由此不难看出，在这种结构下，有无控制器就成为区分系统 级设备和功能部件级电路的一个重要标志。凡是有控制器且能按 照一定程序进行操作的， 不管其规模大小，均称为数字系统；凡 是没有控制器、不能按照一定程序进行操作的，不论其规模多大， 均不能作为一个独立的数字系统来对待，至多只能算一个子系统。 例如数字密码锁， 虽然仅由几片MSI器件构成， 但因其中有控制 电路，所以应该称之为数字系统。 而大容量存储器，尽管其规模 很大，存储容量可达数兆字节，但因其功能单一、无控制器，只 能称之为功能部件而不能称为系统。
控制子系统习惯上称为控制器或控制单元，它是数字系统的
核心。数据子系统只能决定数字系统能完成哪些操作，至于什么
时候完成何种操作则完全取决于控制子系统。控制子系统根据外
部控制信号决定系统是否启动工作， 根据数据子系统提供的状态
信息决定数据子系统下一步将完成何种操作，并发出相应的控制
信号控制数据子系统实现这种操作。控制子系统控制数字系统的
例如， 某个数字系统中有10次乘法操作，且参与乘法操作的数据
可以同时提供。如果数据子系统有10个乘法器， 则控制算法中就
可以让这10次乘法操作同时完成；但如果数据子系统中只有一个
乘法器， 则控制算法就只能是逐个完成这10次乘法操作。因此，
算法设计要紧密结合数据子系统的结构来进行。
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第7章 数字系统设计
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第7章 数字系统设计
3. 功能分解， 逻辑功能划分后获得的数据子系统结构框图中的各个模块还 比较抽象，功能也可能还比较复杂， 必须进一步对这些模块进 行功能分解，直到可用合适的芯片或模块来实现具体的存储和处 理功能。 适当连接这些芯片、 模块， 就可构造出数据子系统的 详细结构。必须注意，为了简化控制子系统的设计， 数据子系 统不仅要结构简单、清晰，而且要便于控制。
图 7 - 1 数字系统的一般结构
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第7章 数字系统设计
数据子系统是数字系统的数据存储与处理单元，数据的存储、 传送和处理均在数据子系统中进行。它从控制子系统接收控制信 息， 并把处理过程中产生的状态信息提供给控制子系统。由于它 主要完成数据处理功能且受控制器控制， 因此也常常把它叫做数 据处理器或受控单元。
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第7章 数字系统设计 4. 算法设计， 实现控制子系统
根据导出的数据子系统结构， 编制出数字系统的控制算法， 得到数字系统的控制状态图，并采用同步时序电路设计的方法完 成控制子系统的设计。
数字系统的控制算法反映了数字系统中பைடு நூலகம்制子系统对数据子系
统的控制过程，它与系统所采用的数据子系统的结构密切相关。
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的加法器、 比较器、 译码器、数据选择器、计数器、移位寄存器、
存储器等就是典型的功能部件级电路， 它们只能完成加法运算、
数据比较、译码、数据选择、计数、移位寄存、数据存储等单一
功能。 而由若干数字电路和逻辑部件构成的、能够实现数据存储、
传送和处理等复杂功能的数字设备，则称为数字系统(Digital
System)。电子计算机就是一个典型的复杂数字系统。
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第7章 数字系统设计
2. 数字系统的一般结构
按照现代数字系统设计理论，任何数字系统都可按计算机结 构原理从逻辑上划分为数据子系统(Data Subsystem)和控制子系统 (Control Subsystem)两个部分， 如图7-1所示。
外部输入
控制 子系统
状态信息 控制信息
数据 子系统
数据输入 数据输出