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5.1 微操作和寄存器传送语言 5.2 用 RTL 表示数字系统 5.3 复杂数字系统和 RTL 5.4 实例： VHDL － VHSIC 硬件描述语言

第五章 寄存器传送语言. 5.1 微操作和寄存器传送语言 5.2 用 RTL 表示数字系统 5.3 复杂数字系统和 RTL 5.4 实例： VHDL － VHSIC 硬件描述语言. 微操作： 大部分时序数字系统的基础。 是更简单的行为。. 数据从一个寄存器、存储器单元或者 I/O 设备 到另一个的传送 修改存储的值 执行算术或逻辑功能 修改已存储的值. 确定时序数字系统： 确定正确的微操作传送及其条件。 （这些条件保证微操作按正确的顺序执行） 设计时序数字系统：. 首先用微操作表述系统的行为

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5.1 微操作和寄存器传送语言 5.2 用 RTL 表示数字系统 5.3 复杂数字系统和 RTL 5.4 实例： VHDL － VHSIC 硬件描述语言

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  1. 第五章 寄存器传送语言 5.1 微操作和寄存器传送语言 5.2 用RTL表示数字系统 5.3 复杂数字系统和RTL 5.4 实例：VHDL－VHSIC硬件描述语言

  2. 微操作：大部分时序数字系统的基础。 是更简单的行为。 • 数据从一个寄存器、存储器单元或者I/O设备 • 到另一个的传送 • 修改存储的值 • 执行算术或逻辑功能 • 修改已存储的值

  3. 确定时序数字系统：确定正确的微操作传送及其条件。确定时序数字系统：确定正确的微操作传送及其条件。 （这些条件保证微操作按正确的顺序执行） 设计时序数字系统： • 首先用微操作表述系统的行为 • 设计硬件来匹配这些表述 硬件描述语言（hardware description language，HDL） （说明与系统需求对应的微操作的条件和传送） 电路分析和设计（circuit analysis and design，CAD）软件 （可以在用户规定的各种条件下仿真电路的行为）

  4. 5．1 微操作和寄存器传送语言 设计时序数字系统： • 首先用微操作表述系统的行为 • 设计硬件来匹配这些表述 一、微操作的格式 考虑有两个1位寄存器X和Y的一个数字系统。 拷贝寄存器Y的内容到寄存器X中的微操作：X←Y (有时也可以表示为Y→X)

  5. 两种实现： • 由直接连接实现 • 通过总线连接实现 X

  6. 二、传送发生的条件 1.假定传送应发生在输入控制α为高时， 则传送过程可以写为 IF α THEN X←Y 2.表示微操作和它们发生的条件： 条件：微操作 当所有冒号左边的条件满足时，执行微操作 （可以是多个）规定的数据传送。 3.上面的传送可以写为 α：X←Y

  7. X 4.具有控制信号的数据传送α：X←Y的实现 (a) 用直接通路 (b) 用总线

  8. 三、提高系统性能的一种方法 同时执行两个或多个微操作。 1.如果某系统在α= 1时执行X←Y和Y←Z的传 送，则这种情况可以表示成 α: X←Y，Y←Z 或者 α: Y←Z，X←Y

  9. 数据传送α: X←Y,Y←Z的实现

  10. 2．同时拷贝相同的数据到多个目的地。 考虑 α： X←Y，Z←Y 实现数据传送α: X←Y，Z←Y

  11. 3．数字系统不能同时往同一寄存器中写入两个不同的值。3．数字系统不能同时往同一寄存器中写入两个不同的值。 例如： 表示 α: X←Y，X←Z无效 四、传送常量的有效条件和微操作 α: X←0 β: X←1 实现这两个传送的三种不同方法： ◆ 通过两个传送通路装载数据来设置X的值。 ◆ 装载数据与第一个完全相同，但它的数据直接由 信号β产生。 ◆ 为简化硬件可使用寄存器的清除输入功能。

  12. 数据传送α: X←0与β: X←1的三种实现： (a) 用一个多路选择器来选择输入的数据 (b) 用β作为数据输入 (c) 用CLR信号

  13. 问题：当α和β同时为1时，怎么办？ 两种解决方法： ◆ 产生α和β的硬件能保证它们决不会被同时置为1 ◆ 修改条件使它们互斥 αβ’: X←0 α: X←0 αβ’: X←0 β : X←1 α’β: X←1 α’β: X←1 五.寄存器之间的多位数据传送 1.同样大小寄存器对应位之间传送数据 例如:当α＝1时，从4位寄存器Y传送数据到4位寄存器X 用符号表示 α： X←Y

  14. 4比特数据传送α：X←Y的实现： (a) 用直接连接 (b) 用总线

  15. 2.访问一个寄存器的某一位或位组。 表示每一位：如X3或Y2。 3.表示位组（用一个域表示） 如X3、X2和X1可以写成X(3-1)或X(3:1) α: X(3-1)←Y(2-0) β: X3←X2 γ: X(3-0)←X(2-0),X3 （X(2-0,3)或 X3←X2，X2←X1，X1←X0，X0←X3）

  16. 操 作 示 例 Add X←X + Y Subtract X←X – Y 或 X←X + Y’ + 1 Increment X←X + 1 Decrement X←X–1 And X←X ∧ Y 或 X←XY OR X←X ∨ Y XOR X←X ⊕ Y NOT X←/X 或 X←X’ 六、执行数据的算术运算、逻辑运算和移位运算的微操 作 1．一些常用的算术运算和逻辑运算的微操作

  17. 2．移位微操作 ◆ 线性移位：每一位的值依次向左（或右）移位。 最后1位被丢弃，空位补入0值。 例如：X＝1011 左移一位：0110 右移一位：0101 ◆ 循环移位：将在线性移位中被丢弃的位循环回来 替代补入的0值。

  18. 例如： X＝1011 循环左移：0111 循环右移：1101 ◆ 算术移位：用于带符号数的移位。 运算规则：符号位在移位操作中保持不变，工作原理 与线性移位相似。 例如： X＝1011 算术左移：1110 算术右移：1101

  19. ◆ 十进制移位：专门用于BCD表示。十进制移位与线性 移位很相似，但它移动1个数字或4位， 而不是移动1位。 例如：X＝1001 0111 十进制左移：0111 0000 十进制右移：0000 1001

  20. 操 作 示 例 线性左移 shl(X) 线性右移 shr(X) 循环左移 cil(X) 循环右移 cir(X) 算术左移 ashl(X) 算术右移 ashr(X) 十进制左移 dshl(X) 十进制右移 dshr(X) ◆ 移位操作和它们的表示法

  21. 例如：X←shl(X)和shl(X)是等价的。 Y←shl(X)两个寄存器均需指定 七、寄存器与存储器之间的数据传送 例如： M[55]←AC和AC←M[55] 寄存器AC与存储器中55号单元之间的数据传送 更好的方法：把地址存入寄存器中，然后由寄存器提供 存储器的访问地址。 （地址寄存器，标示为AR） AR←55 M[AR]←AC或者AC←M[AR]（ M←AC和AC←M）

  22. 5．2 用RTL表示数字系统 5.2.1 数字元件表示 一、第一个例子（ D触发器） 1.用RTL描述： LD：Q←D D触发器：(a)无清0输入端 (b)有清0输入端

  23. 2.有一同步清0输入端的D触发器 LD： Q←D CLR： Q←0 ◆ 当D、LD和CLR都等于1时，系统会失败。 解决方法：改变条件使得两者互斥。 CLR’LD： Q←D LD： Q←D CLR： Q←0 LD’CLR： Q←0

  24. 二、第二个例子（一个没有CLR输入端的JK触发器）二、第二个例子（一个没有CLR输入端的JK触发器） 用RTL描述： J’K： Q←0 JK’： Q←1 JK ： Q←Q’ 三、最后一个例子（一个n位的移位寄存器） ◆Qn-1是最高位，Q0是最低位。 ◆ 当SHL信号为高时，它将其中的数据左移一位。 ◆ 输入Sin移进最低位。 移位寄存器： SHL： Q←Q(n-2:0),Sin

  25. 5.2.2 简单系统的表示与实现 例如： 一个有4个1位触发器的系统 ◆ 用RTL代码表示传送 （假设条件j，o，h和n是互斥的） j: M←A o: A←Y h: R←M n: Y←R , M←R ◆ 几种不同的方法实现

  26. 1．用直接连接实现系统的数据通路 ◆ 用直接连接实现的该RTL代码的系统的数据通路

  27. ◆ 用直接连接实现该RTL代码的系统的完整设计 在合适的时间激励触发器的LD信号来装载数 据，从而完成传送。 ▲ 当j=1（M←A）或n=1(M←R)时，触发器M 装载数据。 ▲ 在满足单个条件o、h和n时，触发器A、R和Y 装载数据。

  28. 2．用总线和三态门实现 j: M←A o: A←Y h: R←M n: Y←R ,M←R

  29. 3. 用总线和多路选择器实现 j: M←A o: A←Y h: R←M n: Y←R ,M←R

  30. 5．3 更复杂数字系统和RTL 5．3．1 模6计数器 目的:设计一个模6计数器 步骤： 模6计数器 ： 000→001→010→011→100→101→000→… (0→1→2→3→4→5→0…) • 用RTL表示计数器的功能 • 用数字逻辑实现RTL的代码

  31. 假设： 输入端U：控制计数 当U＝1时，计数器在时钟的上升沿增加它的值。 当U＝0时，不管时钟的值如何，它都保持当前值不变。 输出V2V1V0：计数器的值 进位输出：C 状态：S0→S1→S2→S3→S4→S5→S0→… （两个另外状态S6和S7） 模6计数器的状态表和状态图

  32. 当前状态 U 下一状态 C V2V1V0 S0 0 S0 1 000 S0 1 S1 0 001 S1 0 S1 0 001 S1 1 S2 0 010 S2 0 S2 0 010 S2 1 S3 0 011 S3 0 S3 0 011 S3 1 S4 0 100 S4 0 S4 0 100 S4 1 S5 0 101 S5 0 S5 0 101 S5 1 S0 1 000 S6 X S0 1 111 S7 X S0 1 111

  33. 一、用RTL表示系统 （S0+S1+S2+S3+S4）U： V←V+1 , C←0 S5U ： V←0 ，C←1 S6 + S7： V←0 , C←1 在条件（S0+S1+S2+S3+S4+S5）U’下，计数器保持当 前值与C值不变。 可以用两条RTL语句表示：（S5U和S6 + S7触发相同 的微操作） （S0+S1+S2+S3+S4）U： V←V+1，C←0 S5U＋S6＋S7： V←0，C←1

  34. 二、模6计数器RTL代码的两种实现 ◆ 用一个寄存器 S5U＋S6＋S7 （S0+S1+S2+S3+S4）U

  35. ◆ 用一个计数器（简单） U(V 2 ’+V1 ’V0 ’) V 2 V1 + V 2 V0 U

  36. 5．3．2 收费站控制器 ◆ 两个外部传感器 ▲ C显示车辆是否在收费站中 当车在时，C＝1，否则C＝0。 ▲ 显示硬币是否已经投到收费站的收集篮中以及 硬币的面值。 • 没有硬币投入 I1I0＝00 • 投入五分硬币 I1I0＝01 • 投入一角硬币 I1I0＝10 • 投入25分硬币 I1I0＝11

  37. ◆ 两个输出指示灯和一个警报灯 ▲ 当一辆汽车驶入收费站时，红灯（R）亮， 直到司机投入35分硬币，此时红灯熄灭，绿灯(G)亮， 绿灯保持亮着直到汽车离开收费站； ▲ 当绿灯灭时，红灯又亮了。 ▲ 如果没有付足够的通行费，汽车离开，红灯一直保 持亮着且警报（A）响。 ▲ 警报维持到另一辆汽车驶入收费站；然后停止。 一、控制器的状态表和状态图

  38. 状态 条 件 R G A SNOCAR 车站中无车 1 0 0 S0 站中有车，未付费 1 0 0 S5 站中有车，已付费5分 1 0 0 S10 站中有车，已付费10分 1 0 0 S15 站中有车，已付费15分 1 0 0 S20 站中有车，已付费20分 1 0 0 S25 站中有车，已付费25分 1 0 0 S30 站中有车，已付费30分 1 0 0 SPAID 站中有车，已付足过路费 0 1 0 SCHEAT 未付足过路费就离开车站 1 0 1

  39. 当前 状 态 C I1I0 下一状态 R G A 当前状态 C I1I0 下一状态 R G A SNOCAR 1 XX S0 1 0 0 S15 0 XX SCHEAT 1 0 1 SPAID 0 XX SNOCAR 1 0 0 S15 1 01 S20 1 0 0 SCHEAT 1 XX S0 1 0 0 S15 1 10 S25 1 0 0 S0 0 XX SCHEAT 1 0 1 S15 1 11 SPAID 0 1 0 S0 1 01 S5 1 0 0 S20 0 XX SCHEAT 1 0 1 S0 1 10 S10 1 0 0 S20 1 01 S25 1 0 0 S0 1 11 S25 1 0 0 S20 1 10 S30 1 0 0 S5 0 XX SCHEAT 1 0 1 S20 1 11 SPAID 0 1 0 S5 1 01 S10 1 0 0 S25 0 XX SCHEAT 1 0 1

  40. S5 1 10 S15 1 0 0 S25 1 01 S30 1 0 0 S5 1 11 S30 1 0 0 S25 1 10 SPAID 0 1 0 S10 0 XX SCHEAT 1 0 1 S25 1 11 SPAID 0 1 0 S10 1 01 S15 1 0 0 S30 0 XX SCHEAT 1 0 1 S10 1 10 S20 1 0 0 S30 1 01 SPAID 0 1 0 S10 1 11 SPAID 0 1 0 S30 1 10 SPAID 0 1 0 S30 1 11 SPAID 0 1 0

  41. 状 态 T R G A SNOCAR 0000 1 0 0 S0 0001 1 0 0 S5 0010 1 0 0 S10 0011 1 0 0 S15 0100 1 0 0 S20 0101 1 0 0 S25 0110 1 0 0 S30 0111 1 0 0 SPAID 1000 0 1 0 SCHEAT 1001 1 0 1 Unused 1010-1111 1 0 0 收费站控制器状态赋值

  42. 二、将状态表转换成RTL语句 1.当控制器状态为SNOCAR且C＝1，它转换到状态S0， 此状态值为0001。 （假设状态值存于4位寄存器T中） SNOCAR C： T←0001 如果我们想在每次传送后设置输出值，此状 态不得不包含微操作R←1，G←0和A←0。 2.状态SPAID和SCHEAT各仅有一个转移情况。 SPAIDC’： T←0000 SCHEATC ： T←0001

  43. 3.状态S0在状态表中有四种可能的转移情况。 S0C’ : T←1001 S0CI1’I0 : T←0010 S0CI1I0’ : T←0011 S0CI1I0 : T←0110 4.对于其他状态，可以用同样的方法得到其RTL代码。 5.最终的入口是所有的无用状态均无条件转移到状态 0000。 6.整个控制器除输出之外的代码

  44. SNOCARC：T←0001 S15CI1’I0：T←0101 SPAIDC’：T←0000 S15CI1I0’：T←0110 SCHEATC：T←0001 S15CI1I0：T←1000 S0C’：T←1001 S20C’：T←1001 S0CI1’I0：T←0010 S20CI1’I0：T←0110 S0CI1I0’：T←0011 S20CI1I0’：T←0111 S10CI1I0：T←1000 S30CI1I0：T←1000 S15C’：T←1001 T3(T2+T1)：←0000

  45. S0CI1I0：T←0110 S20CI1I0：T←1000 S5C’：T←1001 S25C’：T←1001 S5CI1’I0：T←0011 S25CI1’I0：T←0111 S5CI1I0’：T←0100 S25CI1I0’：T←1000 S5CI1I0：←0111 S25CI1I0：T←1000 S10C’：T←1001 S30C’：T←1001 S10CI1’I0：T←0100 S30CI1’I0：T←1000 S10CI1I0’：T←0101 S30CI1I0’：T←1000

  46. 三、扩展RTL代码产生输出 SPAIDC’：R←1，G←0 SCHEATC’：R←1，G←0，A←0 SNOCARC：R←1，G←0，A←0 S0C’：A←1 S5C’：A←1 S10C’：A←1 S10CI1I0：R←0，G←1 S15C’：A←1 S15CI1I0：R←0，G←1 当进入SPAID状态， 输出R : 1→0； 当离开SPAID状态时，输出R：0 → 1。 输出G正好相反，当进入SPAID状态时变成1，离开时变成0。 最后，无论何时进入SCHEAT状态，输出A变成1，离开SCHEAT状态时变成0。

  47. S20C’：A←1 S20CI1I0：R←0，G←1 S25C’：A←1 S25CI1I0’：R←0，G←1 S25CI1I0：R←0，G←1 S30C’：A←1 S30CI1’I0：R←0，G←1 S30CI1I0’：R←0，G←1 S30CI1I0：R←0，G←1 T3(T2+T1)：R←1，G←0，A←0

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