導(dǎo)語：數(shù)字系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)教學(xué)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文闡述了數(shù)字系統(tǒng)的概念、分析與設(shè)計(jì)，以實(shí)例說明數(shù)字系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)過程的教學(xué)，讓學(xué)生用更簡潔的方式掌握數(shù)字系統(tǒng)的基本知識(shí)、分析和設(shè)計(jì)方法，提高教學(xué)效率，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：數(shù)字系統(tǒng)；系統(tǒng)功能；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在數(shù)字系統(tǒng)中，功能級(jí)電路是由能完成某種特定的邏輯功能的單元電路所組成的，而單元電路主要分為兩大類：組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路。對(duì)于單元電路的分析與設(shè)計(jì)，則是建立在真值表、卡諾圖和狀態(tài)表基礎(chǔ)上。這些只是在數(shù)字系統(tǒng)教學(xué)中要求學(xué)生應(yīng)知應(yīng)會(huì)的基本概念，而針對(duì)我院（成都市技師學(xué)院）五高層次高年級(jí)學(xué)生、三高層次及預(yù)備技師班學(xué)生的話，則應(yīng)再上一個(gè)層次，在教授了基本概念的基礎(chǔ)上，將重點(diǎn)討論規(guī)模更大、功能更復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，介紹數(shù)字系統(tǒng)的概念、分析與設(shè)計(jì)，以簡單的實(shí)例說明數(shù)字系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)過程，讓高職學(xué)生了解數(shù)字系統(tǒng)的基本知識(shí)、分析和設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步加深對(duì)單元電路的理解，使他們掌握更專業(yè)的知識(shí)，在就業(yè)方面具有更多的優(yōu)勢。

一、數(shù)字系統(tǒng)概念的教學(xué)

數(shù)字系統(tǒng)涉及的工程問題很多，如：機(jī)械工程學(xué)、有無機(jī)化學(xué)、電力電子學(xué)、傳感器原理、自動(dòng)控制學(xué)等等。凡是以離散形式表示的，具有處理、存儲(chǔ)、傳輸數(shù)字信息能力的邏輯子系統(tǒng)的集合，稱之為數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)一般由三部分組成：輸入接口電路、輸出接口電路、數(shù)據(jù)處理和控制器。而五高層次高年級(jí)學(xué)生、三高層次及和預(yù)備技師班的學(xué)生在學(xué)習(xí)類似直流輸入接口電路、繼電器輸出接口電路以及集成數(shù)據(jù)處理電路等結(jié)構(gòu)的電路時(shí)，具有一定的難度。通過我們團(tuán)隊(duì)的研究討論及教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)從基本原理入手，重點(diǎn)講解電路的分析方法，避開電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析方法，更能讓學(xué)生理解電路的工作原理。這樣一來，學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)感覺較為簡單，從而提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。輸入、輸出接口電路主要用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)和外界的信息交換。而處理器則對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行傳送和加工處理，同時(shí)接收控制器的信息，并將處理過程中產(chǎn)生的狀態(tài)信號(hào)提供給控制器（如圖1所示）?？刂破魇菙?shù)字系統(tǒng)的核心部分，也是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分。在控制器的作用下，系統(tǒng)內(nèi)部各模塊按一定順序工作。針對(duì)學(xué)生對(duì)框圖的理解比較困難，在教學(xué)過程中可進(jìn)行具體舉例，來說明電路的工作原理。舉個(gè)例子：輸入接口電路采用射極跟隨器（如圖2所示）。射極跟隨器指的是信號(hào)從基極輸入，從發(fā)射極輸出的放大器。其特點(diǎn)為輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而從信號(hào)源索取的電流小而且?guī)ж?fù)載能力強(qiáng)，所以常用于多級(jí)放大電路的輸入級(jí)和輸出級(jí)；也可用它連接兩電路，減少電路間直接相連所帶來的影響，起緩沖作用。說明這就是一個(gè)接口電路的原理，集成起來就是接口電路。有無控制器是區(qū)分子系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的一個(gè)重要標(biāo)志，凡是包含控制器并且能夠按順序進(jìn)行操作的系統(tǒng)，不論其規(guī)模大小，都稱之為數(shù)字系統(tǒng)。存儲(chǔ)器規(guī)模大，但不能按照規(guī)定程序進(jìn)行操作，只能稱之為子系統(tǒng)部件或功能模塊。對(duì)于子系統(tǒng)，定義為子系統(tǒng)是一種模型元素，它具有包（其中可包含其他模型元素）和類（其具有行為）的語義。子系統(tǒng)的行為由它所包含的類或其他子系統(tǒng)提供。子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)接口。這種易混淆概念，通過對(duì)比講述的方法，學(xué)生接受程度較高。

二、數(shù)字系統(tǒng)分析

隨著大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，越來越多的電路被集成在一片半導(dǎo)體芯片上。盡管如此，對(duì)于若干芯片組合而成的數(shù)字系統(tǒng)的分析仍是需要的。掌握數(shù)字系統(tǒng)的基本分析方法，分析系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，以便了解復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)功能。分析給定數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能，通?？梢园凑找韵碌牟襟E進(jìn)行。1、了解系統(tǒng)的功能在具體分析數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能之前，首先應(yīng)根據(jù)所給數(shù)字系統(tǒng)的資料，了解系統(tǒng)的用途，實(shí)現(xiàn)什么功能。這對(duì)進(jìn)一步分析各模塊或各個(gè)組成部分的功能起到指導(dǎo)作用。比如在分析數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能時(shí)可以用圖3中的框圖來解釋。由于框圖的分析在前面已經(jīng)學(xué)過，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)功能的分析時(shí)就比較輕松。2、查閱系統(tǒng)所用器件的功能在分析復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的組成時(shí)，需查閱相關(guān)器件手冊(cè)，了解系統(tǒng)中使用的中、大規(guī)模集成電路的型號(hào)、邏輯功能及其連接方式等。芯片手冊(cè)動(dòng)輒幾百上千頁，沒有必要將芯片手冊(cè)都讀完一遍再開始查詢。故可將其可視為工具書，當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)某個(gè)功能或不清楚怎樣實(shí)現(xiàn)時(shí)再進(jìn)行查閱。而查閱時(shí)可先對(duì)芯片進(jìn)行作用的分類，分類細(xì)化后，根據(jù)目錄查詢起來就快而準(zhǔn)確。3、系統(tǒng)劃分，畫出分解后的邏輯框圖根據(jù)所學(xué)的基本知識(shí)，按照信號(hào)的流向及其完成的基本功能，將系統(tǒng)劃分成若干個(gè)功能塊，分析每個(gè)功能塊輸入和輸出信號(hào)之間的邏輯關(guān)系。例如在分析SA7111A系統(tǒng)的邏輯功能時(shí)，先將該系統(tǒng)細(xì)化成五個(gè)功能塊，然后再依次分析各塊之間的邏輯關(guān)系。整個(gè)過程雖然有些復(fù)雜，但是仔細(xì)分析，學(xué)生理解起來并不難。4、系統(tǒng)功能的分析連接各個(gè)功能模塊，進(jìn)一步分析系統(tǒng)從輸入到輸出的完整工作過程。必要時(shí)畫出系統(tǒng)工作的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或時(shí)序圖。數(shù)字系統(tǒng)功能的分析步驟，有以下幾個(gè)方面：列出各功能模塊的邏輯功能；不必從模塊內(nèi)部電路分析，把各模塊看成黑箱處理；根據(jù)給出的電路圖理清各模塊之間的連接關(guān)系或控制關(guān)系；根據(jù)給定條件，分析各模塊的工作狀態(tài)以及整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)；列出整個(gè)系統(tǒng)的功能表或狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或者畫出其時(shí)序圖；說明整個(gè)系統(tǒng)的邏輯功能。具體數(shù)字系統(tǒng)的分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)數(shù)字系統(tǒng)的具體組成情況靈活應(yīng)用分析方法，并不一定拘泥于上述分析步驟。在特殊的情況下，根據(jù)實(shí)際情況，畫出流程圖，就可以直接畫出電路圖，也可以用應(yīng)用軟件直接畫出電路圖。例如用Proteus就可以進(jìn)行。Proteus軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430等。Proteus軟件從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。通過在教學(xué)中采用Proteus軟件，不僅可以吸引學(xué)生的注意力，提高課堂效率，還可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

采用真值表、卡諾圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖等傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)或描述數(shù)字電路的邏輯功能，適用于輸入變量、輸出變量以及狀態(tài)變量較少、規(guī)模較小且功能較為簡單的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)的輸入變量、輸出變量以及狀態(tài)變量較多、功能較為復(fù)雜時(shí)，需要采用更加有效的設(shè)計(jì)方法，以適應(yīng)于各種類型的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常分為兩類：自上而下的設(shè)計(jì)方法和自下而上的設(shè)計(jì)方法。1、自下而上的設(shè)計(jì)方法自下而上的設(shè)計(jì)是一種試探法，設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)劃分成若干個(gè)子模塊，一直分解到可以用傳統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)為止。子模塊設(shè)計(jì)完成后，再組裝系統(tǒng)，調(diào)試系統(tǒng)以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。自下而上的設(shè)計(jì)方法主要依靠設(shè)計(jì)者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)技巧，用逐步試探的方法完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的指標(biāo)如何在系統(tǒng)構(gòu)成后才能測試，如果不能達(dá)到要求，需要重新修改子模塊設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)周期長，資金投入較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和設(shè)計(jì)手段的發(fā)展，自下而上的設(shè)計(jì)方法正逐漸被自上而下的設(shè)計(jì)方法取代。2、自上而下的設(shè)計(jì)方法自上而下的設(shè)計(jì)方法從整個(gè)系統(tǒng)的邏輯功能出發(fā)，明確系統(tǒng)要求，進(jìn)行最上層的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)按照邏輯要求劃分為控制器和處理器，采用ASM圖或其他語言描述控制器和處理器。如果控制器和處理器仍然復(fù)雜，可以進(jìn)行多重邏輯劃分。

通過對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的概念、分析與設(shè)計(jì)循序漸進(jìn)、舉一反三的理論教學(xué)，在加上在教學(xué)過程中，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電路的裝接、連接、測試、分析和PROTEUS軟件的使用，使學(xué)生既學(xué)到了知識(shí)，又增加了分析和動(dòng)手能力，從而提高了教學(xué)的效率。

作者:謝彩云 唐 敏 王文川 單位:成都市技師學(xué)院

參考文獻(xiàn)：

[1]李晶皎,李景宏,曹陽.邏輯與數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2009.

[2]徐麗香.數(shù)字電子技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2016.作者單位：成都市技師學(xué)院。