XRFIC0954前面几章介绍的数据选择器、比较器、加法器、计数器等电路,都是只能实现某种单一的特定功能,因此称为功能部件级电路。由若干这样的数字电路和逻辑部件构成的,按一定顺序处理和传输数字信号的设备,称为数字系统。电子计算机、数字照相机、数字电视等就是常见的数字系统。数字系统从结构上可以划分为数据处理单元和控制单元两部分,如图10,1,1所示。因此,数字系统中的二进制信息也划分成数据信息和控制信息两大类。

数据处理单元接受控制单元发来的控制信号,对输入的数据进行算术运算、逻辑运算、移位操作等处理,然后输出数据,并将处理过程中产生的状态信息反馈到控制单元,数据处理单元也称为数据通路(Datapath)。控制单元根据外部输人信号及数据处理单元提供的状态信息,决定下一步要完成的操作,并向数据处理单元发出控制信号以控制其完成该操作。通常以是否有控制单元作为区别功能部件和数字系统的标志,凡是包含控制单元且能按顺序进行操作的系统,不论规模大小,一律称为数字系统,否则只能算是一个子系统部件,不能称为一个独立的数字系统。例如,大容量存储器尽管电路规模很大,但也不能称为数字系统。

数字系统的设计方法可分为两大类,即自下而上的设计方法和自上而下的设计方法。现分别介绍如下:

自下而上的设计方法，数字系统自下而上的设计是一种试探法。设计者根据自己的经验将规模大、功能复杂的数字系统按逻辑功能划分成若干子模块,一直分到这些子模块可以用经典的方法和标准的逻辑功能部件进行设计,最后将整个系统安装、调试达到设计要求。

自下而上设计方法具有如下特点:

这种设计方法没有明显的规律可循,主要依靠设计者的实践经验和熟练的设计技巧,用逐步试探的方法最后设计出一个完整的数字系统。

系统的各项性能指标只有在系统构成后才能分析测试。如果系统设计存在比较大的问题,也有可能要重新设计,使得设计周期加长、资源浪费也较大。

尽管自下而上的硬件设计方法,在实际运用的一定范围内解决了不少问题,而且目前应用还比较普遍,但随着计算机技术及电子技术的发展,这种设计方法日益显得陈旧,取而代之的是自上而下的设计方法。

自上而下的设计方法是针对数字系统层次化结构的特点,将系统的设计分层次、分模块进行。通常将整个系统从逻辑上划分成控制单元和处理单元两大

部分。如果控制单元和处理单元仍比较复杂,可以在控制单元和处理单元内部

多重地进行逻辑划分,分解成几个子模块进行逻辑设计,给出实现系统的硬件和软件描述,最后得到所要求的数字系统。

自上而下的设计方法一般要遵循下列几个步骤:

明确所要设计系统的功能,进行逻辑抽象。设计题目通常是比较简单的文字叙述,没有细节说明,设计者必须对题目消化、理解,逐步明确并抽象出系统要完成的逻辑功能。

确定实现系统功能的算法,画出系统方框图。算法设计实质是将系统要实现的复杂功能进行分解,分成若干子功能模块,并确定各功能模块的操作顺序和相互联系,画出系统的方框图。确定数字系统的算法是设计的关键步骤,也是最困难、最具有创造性的一步。但由于数字系统逻辑功能的多样性,至今仍没有一种通用合理的方法导出算法。

设计数据处理单元。首先明确数据处理单元的基本运算和操作,它们可以是算术和逻辑运算、数据的存储、变换和传送等。选用通用集成电路芯片或硬件描述语言实现其功能。