10.2 数字系统设计的描述工具
10.2 数字系统设计的描述工具
10.2.1 方框图
在系统设计阶段详细描述数字系统总体结构时常常用到方框图。它将系统中的功能分解成若干个子系统，以方框图的形式表示系统由哪些子系统构成，以及模块间如何相互联系，并定义模块的输入、输出信号和作用。方框图中每一个方框定义一个信息处理、存储或传送的子系统或模块，在方框内用文字、表达式或图形来表示该子系统的名称或主要功能，在方框间用带箭头的连线表示各子系统间的数据流或控制流的信息通道，连线箭头指示了信息传输的方向。有时方框图还有一份完整的系统说明书，在系统说明书中，给出表示各子系统的方框图，同时详细描述每一个子系统。
如图10-2所示为一个将20位并行二进制码转化为6位并行BCD码的译码器的方框图，在该系统中为了对输入的20位并行二进制数的值进行统计，在输入端需要设计一个二进制减1计数器；在输出端，将输入的数值转化为6位并行BCD码输出，可以由一个6位十进制加1计数器来完成；另外，通过一个控制器来完成对系统的整体控制。
图10-2 二进制码—BCD码译码器方框图
10.2.2 算法状态机图（ASM）
算法图是一种用图形方式来描述数字系统状态单元的算法工具。它看起来与计算机中的程序流程图很相似，但实际上有本质区别。
· 算法图表示事件的精确时间间隔序列，而常见的程序流程图一般没有时间的概念。
· 程序流程图要求在同一时刻只有一种操作存在，而在算法图中，只要有相应的逻辑功能部件存在，就允许在同一时刻进行多种操作。
算法状态机图，即Algorithmic State Machine Chart（ASM）就是一种最著名的算法图。算法状态机图实质上就是一种状态转换图，用算法状态机流程图来表示控制算法的优点是易学易用，使人一目了然，而且便于把控制算法变成控制器电路，因此ASM流程图是设计控制器的重要工具。使用ASM图设计数字系统的关键步骤是要建立被设计系统的控制系统流程图——ASM图。ASM图是由状态框、分支框、条件输出框和状态单元等基本图形组成，可以比较准确地描述控制器的功能和状态变化条件，并精确地表示出控制器状态转换的时间关系。下面详细介绍ASM图。
ASM图的符号有状态框、条件分支框、条件输出框和状态单元。
（1）状态框。
状态框是一个具有进口和出口的矩形框，它代表系统的一个状态。系统经历的时间用状态时间表示，同步系统中至少有一个同步时钟周期。状态名称写在框外左上方，状态编码写在框外右上方，操作内容写在矩形框内，如图10-3（a）所示。其具体操作是：将X装入IN，AC置0，Sr置1。一个完全由状态框组成的ASM图，如图10-3（b）所示。在每一个规定数量的时钟脉冲作用下，ASM图的状态由现状态转换到新态，状态的改变是在时钟的控制下实现的。
（a）ASM状态框符号 （b）状态框组成的ASM图
图10-3 ASM图状态框
（2）条件分支框。
当控制算法存在分支时，新态不仅决定于现态，还与外输入有关。条件分支框使用单入口双出口的菱形或单入口多出口的多边形构成。框内写检测条件，出口处注明各分支所满足的条件，如图10-4（a）所示。条件分支的表示方法如图10-4（b）所示，将检测逻辑真（用1表示）或逻辑假（用0表示）的逻辑条件放入条件分支框内，该条件可以是单变量，也可以是逻辑表达式。条件分支框属于状态框A，条件分支框和状态框A属于同一个状态，它们是在同一个状态内完成的动作。在每一规定数目的时钟脉冲的作用下，由于外输入X值的不同，新态可能进入B或C，而这一状态的转换是在状态A结束时完成的。
（a）条件分支框符号 （b）条件分支表示法
图10-4 ASM图条件分支框
条件分支也可以是两个逻辑条件以上，产生多个条件分支，如图10-5所示是3个分支的两种表示方法。其中图10-5（a）是真值表图解表示法，两个条件X1X2同样重要，没有起支配作用的条件；图10-5（b）则表示条件X1优先于X2，，所以在设计时就要将条件X1的优先级设置得比条件X2高。
（a）真值表图解分支法 （b）变量优先级分支法
图10-5 ASM图条件分支法
（3）条件输出框。
所谓条件输出框是指某些状态下的输出命令只有在一定条件下才能输出。为了与前面的状态输出（无条件输出）区别，用椭圆框表示条件输出，并将条件输出写在条件输出框内，如图10-6所示。可见，其中状态P的无条件输出的命令为Z1，条件输出命令为Z2，状态P当输入X=0时才输出ZQ；条件输出框和条件分支框都属于状态P。值得在注意的是，条件输出框的入口必须来自某一分支，当某几个条件满足时，给出指定的输出。输出的操作内容写在框内。条件输出框不是控制器的一个状态，它经历的时间取决于状态框。
（a）条件输出框符号 （b）具有条件输出框的ASM图
图10-6 ASM图的条件输出框
（4）状态单元。
状态单元是上述3种图形的组合，由一个状态框和若干条件判断框或条件输出框组成。状态单元的入口必须是状态框的入口，出口可以有几个，但必须指向状态框，如图10-7所示。
从上面的介绍，我们可以总结出ASM图的特点有如下两点：
· 一个状态肯定对应有一个状态框，有时还包括若干个条件分支框和条件输出框。
· 条件分支框除了可以决定新态外，还可以决定条件输出。
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图10-7 ASM图状态单元 |
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图10-7 ASM图状态单元 |
