導語：數(shù)字系統(tǒng)分析與設計教學研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，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、分析與設計，以實例說明數(shù)字系統(tǒng)的分析和設計過程的教學，讓學生用更簡潔的方式掌握數(shù)字系統(tǒng)的基本知識、分析和設計方法，提高教學效率，同時激發(fā)學生的學習興趣。

關鍵詞：數(shù)字系統(tǒng)；系統(tǒng)功能；系統(tǒng)設計

在數(shù)字系統(tǒng)中，功能級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：組合邏輯電路和時序邏輯電路。對于單元電路的分析與設計，則是建立在真值表、卡諾圖和狀態(tài)表基礎上。這些只是在數(shù)字系統(tǒng)教學中要求學生應知應會的基本概念，而針對我院（成都市技師學院）五高層次高年級學生、三高層次及預備技師班學生的話，則應再上一個層次，在教授了基本概念的基礎上，將重點討論規(guī)模更大、功能更復雜的數(shù)字系統(tǒng)，介紹數(shù)字系統(tǒng)的概念、分析與設計，以簡單的實例說明數(shù)字系統(tǒng)的分析和設計過程，讓高職學生了解數(shù)字系統(tǒng)的基本知識、分析和設計方法，進一步加深對單元電路的理解，使他們掌握更專業(yè)的知識，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

數(shù)字系統(tǒng)涉及的工程問題很多，如：機械工程學、有無機化學、電力電子學、傳感器原理、自動控制學等等。凡是以離散形式表示的，具有處理、存儲、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。而五高層次高年級學生、三高層次及和預備技師班的學生在學習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)處理電路等結構的電路時，具有一定的難度。通過我們團隊的研究討論及教學實踐，發(fā)現(xiàn)從基本原理入手，重點講解電路的分析方法，避開電路的內(nèi)部結構和內(nèi)部結構的分析方法，更能讓學生理解電路的工作原理。這樣一來，學生在學習時感覺較為簡單，從而提高了學生學習的積極性。輸入、輸出接口電路主要用來實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)和外界的信息交換。而處理器則對輸入信號進行傳送和加工處理，同時接收控制器的信息，并將處理過程中產(chǎn)生的狀態(tài)信號提供給控制器（如圖1所示）。控制器是數(shù)字系統(tǒng)的核心部分，也是數(shù)字系統(tǒng)設計的重要部分。在控制器的作用下，系統(tǒng)內(nèi)部各模塊按一定順序工作。針對學生對框圖的理解比較困難，在教學過程中可進行具體舉例，來說明電路的工作原理。舉個例子：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從基極輸入，從發(fā)射極輸出的放大器。其特點為輸入阻抗高，輸出阻抗低，因而從信號源索取的電流小而且?guī)ж撦d能力強，所以常用于多級放大電路的輸入級和輸出級；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)的一個重要標志，凡是包含控制器并且能夠按順序進行操作的系統(tǒng)，不論其規(guī)模大小，都稱之為數(shù)字系統(tǒng)。存儲器規(guī)模大，但不能按照規(guī)定程序進行操作，只能稱之為子系統(tǒng)部件或功能模塊。對于子系統(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)實現(xiàn)一個或多個接口。這種易混淆概念，通過對比講述的方法，學生接受程度較高。

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體芯片上。盡管如此，對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)部信號之間的邏輯關系，以便了解復雜數(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，首先應根據(jù)所給數(shù)字系統(tǒng)的資料，了解系統(tǒng)的用途，實現(xiàn)什么功能。這對進一步分析各模塊或各個組成部分的功能起到指導作用。比如在分析數(shù)字系統(tǒng)的邏輯功能時可以用圖3中的框圖來解釋。由于框圖的分析在前面已經(jīng)學過，在此基礎上，學生進行系統(tǒng)功能的分析時就比較輕松。2、查閱系統(tǒng)所用器件的功能在分析復雜數(shù)字系統(tǒng)的組成時，需查閱相關器件手冊，了解系統(tǒng)中使用的中、大規(guī)模集成電路的型號、邏輯功能及其連接方式等。芯片手冊動輒幾百上千頁，沒有必要將芯片手冊都讀完一遍再開始查詢。故可將其可視為工具書，當需要實現(xiàn)某個功能或不清楚怎樣實現(xiàn)時再進行查閱。而查閱時可先對芯片進行作用的分類，分類細化后，根據(jù)目錄查詢起來就快而準確。3、系統(tǒng)劃分，畫出分解后的邏輯框圖根據(jù)所學的基本知識，按照信號的流向及其完成的基本功能，將系統(tǒng)劃分成若干個功能塊，分析每個功能塊輸入和輸出信號之間的邏輯關系。例如在分析SA7111A系統(tǒng)的邏輯功能時，先將該系統(tǒng)細化成五個功能塊，然后再依次分析各塊之間的邏輯關系。整個過程雖然有些復雜，但是仔細分析，學生理解起來并不難。4、系統(tǒng)功能的分析連接各個功能模塊，進一步分析系統(tǒng)從輸入到輸出的完整工作過程。必要時畫出系統(tǒng)工作的狀態(tài)轉換圖或時序圖。數(shù)字系統(tǒng)功能的分析步驟，有以下幾個方面：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系或控制關系；根據(jù)給定條件，分析各模塊的工作狀態(tài)以及整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)；列出整個系統(tǒng)的功能表或狀態(tài)轉換圖或者畫出其時序圖；說明整個系統(tǒng)的邏輯功能。具體數(shù)字系統(tǒng)的分析時，應根據(jù)數(shù)字系統(tǒng)的具體組成情況靈活應用分析方法，并不一定拘泥于上述分析步驟。在特殊的情況下，根據(jù)實際情況，畫出流程圖，就可以直接畫出電路圖，也可以用應用軟件直接畫出電路圖。例如用Proteus就可以進行。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，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，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)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。通過在教學中采用Proteus軟件，不僅可以吸引學生的注意力，提高課堂效率，還可以激發(fā)學生的學習興趣。

三、數(shù)字系統(tǒng)的設計方法

采用真值表、卡諾圖、狀態(tài)轉換表和狀態(tài)轉換圖等傳統(tǒng)方法設計或描述數(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)字電路設計。當數(shù)字系統(tǒng)的輸入變量、輸出變量以及狀態(tài)變量較多、功能較為復雜時，需要采用更加有效的設計方法，以適應于各種類型的數(shù)字系統(tǒng)設計。數(shù)字系統(tǒng)的設計方法通常分為兩類：自上而下的設計方法和自下而上的設計方法。1、自下而上的設計方法自下而上的設計是一種試探法，設計者根據(jù)實踐經(jīng)驗將復雜的數(shù)字系統(tǒng)劃分成若干個子模塊，一直分解到可以用傳統(tǒng)方法進行設計為止。子模塊設計完成后，再組裝系統(tǒng)，調(diào)試系統(tǒng)以達到設計要求。自下而上的設計方法主要依靠設計者的實踐經(jīng)驗和設計技巧，用逐步試探的方法完成系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)的指標如何在系統(tǒng)構成后才能測試，如果不能達到要求，需要重新修改子模塊設計，因此設計周期長，資金投入較大。隨著計算機技術和設計手段的發(fā)展，自下而上的設計方法正逐漸被自上而下的設計方法取代。2、自上而下的設計方法自上而下的設計方法從整個系統(tǒng)的邏輯功能出發(fā)，明確系統(tǒng)要求，進行最上層的系統(tǒng)設計，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雜，可以進行多重邏輯劃分。

通過對數(shù)字系統(tǒng)的概念、分析與設計循序漸進、舉一反三的理論教學，在加上在教學過程中，在實驗室進行電路的裝接、連接、測試、分析和PROTEUS軟件的使用，使學生既學到了知識，又增加了分析和動手能力，從而提高了教學的效率。

作者:謝彩云 唐 敏 王文川 單位:成都市技師學院

參考文獻：

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

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