数字系统的实现方法探讨

数字系统通常可以用硬件、软件和固件（微程序）方法予以实现。数字系统的软件实现方法本课程不作介绍；采用PLD器件实现的方法也暂不讨论。现简单介绍数字系统的硬件和固件实现方法。

1）数字系统的总体方案与逻辑划分

数字系统的总体方案的优劣直接关系到整个数字系统的质量与性能，需要从系统的功能要求和使用要求以及性能价格比等方面综合考虑后确定。

根据数据处理器与控制器的功能分工，可以对数字系统进行数据处理器和控制器部分的逻辑划分。数据处理器是用作对各种数据进行处理，而控制器是用来控制数据处理器在什么时候以何种方式完成哪一种处理功能。因此在对要设计的系统进行认真分析，知道系统需要哪些处理模块，并对这些模块进行适当连接后，即可得到数据处理器；而数据处理器所要求的各种控制信号和定时控制则属于控制器设计范畴。数字系统设计的关键和难点是控制器的设计。

2）数据处理器的构造方法

（1）数据处理器的组成

数据处理器的功能是实现数据的存储、传送和处理，通常由存储部件、算子、数据通路、控制点及条件组成。

存储部件用来存储各种数据，包括初始数据、中间数据和处理结果，常用触发器（寄存器）、计数器和随机存取存储器（RAM）来做存储部件。

算子用来对二进制数据进行变换和处理，常用的组合算子部件有加法器、减法器、乘法器、除法器、比较器等，常用的时序算子部件有计数器和移位寄存器等。

数据通路用来连接系统中的存储器、算子以及其他部件，常用导线和数据选择器等来实现。

控制点是数据处理器中接收控制信号的组件输入点，控制信号通过它们实现算子操作、数据通路选择以及寄存器置数等控制操作。以触发器为例，其时钟输入端和异步置数端均可作为控制点。

条件是数据处理器输出的一部分，控制器利用它来决定条件控制信号或别的操作序列。

（2）数据处理器的构造方法

数据处理器一旦分离出来，接下来要做的工作就是如何选用适当的基本模块构造出实际的数据处理器结构。(www.xing528.com)

3）数字系统的控制算法与控制状态图

数据处理器的结构确定以后，可用算法语言写出与数据处理器硬件结构相适应的系统控制算法，再根据算法画出数字系统的控制状态图。

用算法语言编写系统控制算法与计算机编程十分相似，如果将算法中的每一条语句用一个状态表示，就可画出系统的控制状态图。

4）控制器的实现方法

控制器既可以用硬件实现，也可以用固件（微程序）实现。下面简单介绍基于常规MSI器件的硬件控制器的实现方法和最基本的微程序控制器的实现方法。

（1）硬件控制器的实现方法

在硬件实现方法中，常用计数器∕移位寄存器模块、译码器模块和少量的逻辑门来实现。计数器∕移位寄存器用来实现控制器的状态寄存和状态转换，译码器用来对状态译码以产生输出控制信号。

（2）微程序控制器的实现方法

微程序控制器实现方法的基本思想是，将系统控制过程按一定的规则（算法）编制成指令性条目并将其存放在控制存储器中，然后将它们一条条取出并转化为系统的各种控制信号，从而实现预定的控制过程。这种编制和存放控制过程的设计方法称为微程序设计方法，用微程序方法设计实现的控制器称为微程序控制器。

在微程序设计方法中，控制算法中的每一条语句通常称为微指令，每条微指令中的一个基本操作称为微操作。一个基本操作需要一个控制信号，一条微指令可有多个微操作，它们的编码称为微指令的操作码。描述一个算法的全部微指令的有序集合称为微程序。

微程序控制器的基本结构如图11.32所示。由图可知，在微程序控制器中，条件与现态（PS）作为ROM的地址，次态（NS）与控制信号作ROM的内容，寄存器作为状态寄存器。p个条件、n位状态编码，要求ROM有n+p位地址、2n+p个单元；n位状态编码、m个控制信号，要求ROM单元的字长为n+m位。这就意味着所选用的ROM的存储容量为2n+p（n+m）。

与硬件控制器相比，微程序控制器具有结构简单、修改方便、通用性强的突出优点，尤其是当系统比较复杂、状态很多时，微程序控制器的优势更加明显。但如果控制器非常简单，状态不多时，使用微程序控制器反而有可能提高系统成本。因此，在决定是否采用微程序控制器前，应估算一下系统的综合成本。

图11.32　微程序控制器的基本结构