16第7章 层次化设计
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第7章组织设计学习目标通过本章的学习,能够理解组织、组织工作、组织结构、管理幅度等概念的含义;理解各类组织结构的特点、优缺点和适用范围;掌握组织结构的设计原则及方法;引导案例诺基亚的组织结构总部设在芬兰的诺基亚公司是一家世界领先的移动电话生产商,在相当长的时间里具有很高的品牌知名度;其前首席执行官乔玛·奥利拉Jorma Ollila不满足于公司已经取得的成功,希望能够为诺基亚在未来的竞争中做更好的产业定位;诺基亚公司成立于1865年,当时它只是一家木材加工厂,但其发展十分迅速;在企业的快速成长期,诺基亚进入了一系列的产业领域,包括造纸、化工、橡胶等;20世纪90年代,诺基亚大幅度调整了经营方向,正式进军当时正处在发展中的电信业,经过不到十年的努力,诺基亚成为了一家全球化公司,其主营业务领域已经转入无线和有线电信业务;在乔玛·奥利拉接管诺基亚时,它已经在世界范围内拥有将近6万名员工,且平均每3名员工中就有一个人参与到某种形式的产品研发中;诺基亚持续不断地推出比竞争对手更好的产品,并能适时地将适量产品送至经销商和移动电话企业;诺基亚是如何实现的呢奥利拉认为,诺基亚存在某种独特的运行方式,使其能够比其他公司更注重实践、更聚焦,也更具有柔性;奥利拉为诺基亚设计了一个层级相对模糊的组织结构;公司中通常不明确规定谁具体负责什么任务,尽管员工经历了相当长的一段时间来适应并喜欢上这种自由的工作体制;这种高自由度的组织设计激发了员工的创造性、积极性和个人的责任感;同时为了平衡这种灵活的组织结构,公司制定了严格的财务绩效考核指标,使员工能够在有效地控制下全力完成组织的任务;尽管乔玛·奥利拉对诺基亚的组织设计方案不见得能够在其他企业适用,但它说明组织的管理者需要针对组织的特性,设计出最为合适的组织结构形式,促使组织目标的实现,这是非常重要的;组织工作与组织结构7.1.1 组织职能的含义“组织”一词被广泛使用,并被从不同的角度加以阐述;有的观点认为组织包括所有参与者的行为,也有研究提出组织是一个“正式的有意形成的职务结构或职位结构”,罗宾斯提出“组织就是将一些人系统地安排在一起,以达到某些特定目标” ;虽然有关什么是组织的论述甚丰,但大致是从两个方面入手,一是将“组织”作为名词来解释,即组织是一个集合体;另一个方面是将“组织”作为动词来解释,即组织是组织活动;从社会经济系统的角度来讲,作为名词的组织,是依据一定的目标和要求建立起来的系统,是构成整个社会经济系统的基本单位;例如学校、企业、医院、研究机构、政府机关等都是组织;作为动词的组织则是针对管理的组织职能而言,法约尔最先就管理的职能进行了分析,其中组织职能是为企业的经营提供所有必要的原材料、设备、资本和人员,因而是管理活动中一项重要的职能;组织职能Organizing是指在组织目标已确定的情况下,将实现组织目标所必须进行的各项业务活动加以分类组合,根据管理幅度原理,划分出不同的管理层次和部门,并将监督各类活动所必需的职权授予各层次、各部门的管理者,以及规定这些层次和部门之间的相互配合关系;具体地说,任何企业的组织工作过程都要遵循一个基本的逻辑,组织职能的工作过程大致包括以下六个步骤:1确定企业的目标;组织工作必须与组织的目标要求相一致;2制定企业的政策和计划;在明确了组织的目标以后,组织工作就是要明确由目标派生出来的计划;组织工作是以企业的计划和政策为基础来进行相关的组织结构设计和人员配备活动的;组织每个部门的领导者都必须首先明确组织分配给其部门的任务是什么,继而确定必须执行的主要工作有哪些;3明确为完成上述的目标、计划和政策所必需的活动并加以分类;对组织的高层管理者来说,这项活动表现为组织的部门划分,也就是将组织的不同活动分配给不同的部门;4在企业现有的人、财、物等资源条件的基础上,根据环境条件,对上述活动加以分组,以实现最高效的资源利用;5为每个活动组配置领导人及其他人员,并授予其完成活动所必需的职权;对组织的高层管理者来说是为各个部门委派管理者来负责相应的工作,并将相应的职权授予他们;对各部门管理者而言,是为其部门内的非管理性职位配备人员,并决定应授予下属多大的职权才能使其完成工作;6通过职权体系和信息流通,从横向和纵向两个角度出发将各活动组有机整合为一个统一的系统;7.1.2 组织结构组织设计和组织结构是管理学研究中最基本的论题;随着竞争和市场的日益全球化以及科技的迅猛发展,传统的组织设计方法不断受到质疑和重新考察,管理者不断在实践中摸索和尝试新的组织结构设计方案,以使组织结构在动态复杂的竞争环境中既能保证组织各项活动的高效完成,又能保持灵活性;那么,什么是组织结构所谓组织结构Organization structure就是组织中正式确立的对工作任务进行分解、组合和协调的组织活动安排体系;管理者对组织结构的发展、变革等就是组织设计Organization design工作;组织设计涉及六个方面的关键要素,即工作专门化、部门化、指挥链、管理幅度、集权与分权和正规化;组织结构的安排是为了使组织工作的各项职能得以实现,因此其构成要素必须能够与组织工作的特点相适应,要注意以下几点:第一,组织结构必须与组织的目标和计划相一致,因为组织的一切活动都是在目标和计划的基础上设定的;第二,组织结构必须能够体现出组织的权力体系;任何组织的职权都是具有社会属性的,它是组织赋予其不同职能岗位上的人员的酌情处置权,因此,组织结构中的职权设计是随环境条件的变化而定的;第三,组织结构必须能够与所处环境条件相适应;组织结构设计必将受到其所处环境中的影响因素的制约,这些影响因素包括经济、技术、政治、社会或道德等;而且组织结构的设计不能是静态的,其所面临的环境因素不断变化,组织结构必须使组织成员面对充满不确定性的未来,能够有效地实现分工、协作,应对环境变化,获取竞争优势;第四,组织结构中业务活动的划分和权力关系设计必须考虑到管理幅度和人员的习惯;组织是由人员构成的,组织结构设计必须充分考虑组织成员作为人的特性和习惯,因此组织结构中的人员安排是一个重要的考虑因素;传统的组织设计原则强调组织结构的稳定性和高效率,在这类组织中,每一项工作尽力做到简单化、标准化,组织内部强调统一指挥,具有严格的等级制度和固定的职责,有正式的沟通渠道,决策常采用集权形式;这类组织结构被称为机械型组织Mechanistic Organization;与机械型组织形成鲜明对照,有机型组织Organic Organization是松散、灵活、具有高度适应性的组织;这类组织没有高度的标准化程序和严格的规章制度,而是根据需要可以随时作出调整的灵活结构;因为现代的员工往往受过良好的教育,并经过一定的职业培训,具有处理突发问题的应变能力;取代层级控制的是员工之间的纵向、横向协调沟通,更注重人的创造性和自我价值的实现;例如,管理者给一位计算机程序员分配任务,就不需要告诉他如何做事及工作程序,他所受的职业教育已经能够指导自己的行为;这时管理者只要告诉这位员工在这段时期内需要完成哪些任务就可以了;7.1.3 影响组织结构选择的因素1. 组织环境组织不断与其所处的环境进行着物质与能量的交换,环境对组织的影响无处不在,其中当然也包括对组织结构的影响;罗宾斯指出组织结构之所以受到环境的影响,是因为环境的不确定性;环境的不确定性是组织管理决策的一个重要的限定性因素;在相对稳定和复杂的环境中,组织相对容易对未来的变化做出预判和相应的准备,因而能够保证高水平的绩效表现;然而,随着市场、技术全球化程度的不断加深,以及技术的迅猛发展,目前组织所面临的环境呈现出动态性、复杂性的特点,环境的不确定性非常强,任何组织都希望通过组织结构调整等管理手段来尽量降低这种不确定性对组织绩效的威胁;总的来说,稳定、简单的环境中,机械式的组织结构更有利于组织绩效的提升;而在动态、复杂性的环境情境下,组织更需要有机式组织结构所提供的灵活性来应对环境的不确定性;例如,日益加快的产品创新速度、产业商业模式的创新、对顾客的定制化服务及售后服务的改善等都是企业在动态复杂环境下的战略创新或变革活动,而机械式的组织结构是无法有效地支持这类活动的;2. 组织战略组织结构必须与组织的目标相一致,它应该促进组织目标的实现;而组织目标是由其战略决定的,因此,组织结构设计必须与战略规划紧密配合,组织结构应当服从于战略,并保证战略的实施;如果组织实施了重大的战略发展或变革,其组织结构必然要做相应的调整或变革;艾尔弗雷德·钱德勒Alfred Chandler最早开展了有关战略——结构方面的研究,他通过对美国若干跨国公司长达50多年的成长史的研究发现,企业战略的变化导致了其组织结构的变化;他发现,这些企业通常最初只生产单一产品或产品线,其组织结构也较为简单和松散,但随着企业的成长,其战略逐渐演变为寻求不断扩张和更为复杂,其组织结构也相应的不断进行发展和变革;管理者不同的战略意图需要不同类型的组织结构来支持;例如,实施成本领先战略的企业需要通过机械式的组织及结构对组织的各项活动实现高效率的、稳定的和严密的控制;创新者需要一种有机的组织结构形式,能够提供灵活性的和自由流动的信息沟通体系;实施赶超战略的企业需要其组织结构能够同时具有有机式和机械式两种功能特征,一方面通过机械式结构实现严密的控制和低成本,另一方面需要通过有机式结构来识别未来可能实现赶超的创新方向;3. 组织规模许多研究表明,组织结构受到组织规模的极大影响;例如,规模庞大的组织比小型组织在组织结构上专门化和部门化的程度更深,管理规则和条例也更多;然而,组织规模与结构之间的关系也不是线性的,组织规模对结构的影响程度随着规模的扩大而逐渐减弱;也就是说,组织发展到一定程度后,随着组织的再扩大,规模的影响显得不重要了;例如,一个拥有2 000名左右员工的组织,其组织结构已经是相当机械式的了,在此基础上再增加500名员工,组织结构也不会有多大的改变;然而,如果一个拥有300名员工的组织,再增加500名员工,其组织结构的变化将会比较大,可能转变为一种更为机械的形式;4. 技术任何类型的组织都需要依赖于某种技术,实现投入到产出的转换;例如,戴尔公司是为客户生产定制化的电脑设备;三星手机是在一条条标准化的生产线上生产各种类型的手机产品;西门子公司的工人是在标准化的装配线上生产冰箱、洗衣机和其他家用电器;英国学者琼·伍德沃德Joan Woodward最早对技术对组织结构的影响进行研究,她根据技术的不同将研究对象分为三种类型,它们的技术复杂程度依次提高:第一类,单件生产Unit Production,生产企业的技术类型属于单件或小批量生产;第二类,大批量生产Mass Production,说明企业的生产技术支持大批量生产;第三类,连续生产Process Production,说明企业所应用的生产技术较前两种更为复杂,是采取连续流程生产;通过研究发现,单件生产和连续生产适用于有机式的组织结构,但前者的纵向分化程度低,后者的纵向分化程度高;而大批量生产适用于机械式组织结构;继伍德沃德之后,有许多学者在这个方面进行了进一步的研究,例如查尔斯·帕洛Charles Perrow、汤姆森James D. Thompson等;总的来说,这些研究成果表明随着组织技术的变化和发展,其组织结构相应地不断进行调整;一般来讲,组织技术越是常规化的,其结构越显示出机械式的特征;组织技术越是非常规化的,其结构更倾向于有机式的结构;常见的组织结构形式管理学对组织结构的划分,从管理职能出发,针对管理对象所处的不同情境,设计合理的结构,以更有效地发挥管理的各大职能;组织结构有多种形式,传统上包括直线制、职能制、直线——职能制、事业部制等,也包括一些新型的组织结构形式,如矩阵制、网络组织等;下面分别对它们的优缺点和适用范围加以分析;7.2.1 直线制组织结构直线制组织结构Line Structure是较早出现的一种组织结构形式,至今仍然被某些组织采用;其特点是组织各层次上的管理者负责起管理的全部职能,而不另设任何职能或参谋机构,组织内各层次上的人员只接受其上一级领导者的指挥;其组织结构如图7-1所示;直线制组织结构比较简单,优点是权力集中,职责明确,沟通便捷,便于统一指挥,反应迅速灵活;缺点是对组织各层领导者的业务知识水平要求很高,他们必须能够亲自处理全部管理业务,因此,难免出现失误,且组织决策基本由高层管理者一人作出,集权程度过高,风险很大;因此,这种组织结构形式只适用于规模不大、员工较少,管理工作比较简单的组织;图7-1 直线制组织结构7.2.2 职能制组织结构职能制组织结构Functional Structure的特点是组织内各层次上的管理部门除直线管理者外,还建立起相应的职能机构,这些职能机构在自己所负责的业务领域内,可以对下层组织部门下达命令;其组织结构如图7-2所示;图7-2 职能制组织结构职能制组织结构的优点在于将组织各层次上的管理工作按照职能进行了分工,极大地提高了管理的专业化水平,对各层次直线管理者的管理工作进行了有益的补充;但这种组织结构也存在其缺点:组织各层次上的管理者不仅要接受上一层直线管理者的领导,而且还有接受来自于上一层次职能机构的领导,因此,容易形成多头指挥、多头领导,不符合统一指挥的组织工作原则;7.2.3 直线——职能制组织结构图7-3 直线——职能制组织机构直线——职能制组织结构Line and Function System实际上是将直线制与职能制有机结合起来,其特点是组织各层级上的直线管理者统一负责所辖业务的全部工作,并直接对其上级领导者负责;各级组织根据实际需要设置相应的职能机构;但职能机构只是同级直线管理者的参谋,无权对下一级组织发布命令,只能提供信息、建议和一些必要的业务指导;直线——职能制组织结构兼有直线制和职能制的优点,既能保证统一指挥、统一领导原则的实现,又能发挥职能机构专业化管理的作用;但这种组织结构也存在缺点,组织各部门只关心自己的目标,强调本部门的重要性,而忽视与其他部门的沟通与配合;并且有时直线管理者可能由于过分强调直线的指挥权,而忽视了职能机构职权的作用;因此,为了使职能机构能够充分发挥其作用,可以在保证直线统一指挥的前提下,授予职能机构一定的协调、控制权;绝大多数从事标准化生产的制造企业采用这种组织结构,这种组织结构有利于在稳定的环境下充分发挥生产的高效率;7.2.4 事业部制组织结构事业部制Division System是目前被世界各国特大型组织普遍采用的一种组织结构形式;当组织的规模很庞大,业务繁杂,以上介绍的三种组织结构形式就不适用了;20世纪20年代斯隆首先在美国通用汽车公司采用了事业部制的组织结构形式,获得了极大的成功,因而在其之后很多特大型组织采用了这种组织结构,并逐渐在世界范围内被跨国公司普遍采用;这一组织结构的特点是在组织高层管理者的集中领导下,按照产品、技术、地域或顾客等设置事业部,各事业部被授权全权负责所属业务的全部活动,每个事业部内部可以按照直线——职能制的形式来构建组织结构;企业的高层管理者主要承担整个组织的战略、目标、方针、目标的设定,并落实到各事业部,可以通过利润等指标对事业部进行控制;图7-4 事业部制组织结构事业部制组织机构的优点可以概括为以下四点:1各事业部有较大的自主权,有利于发挥事业部管理者的积极性和创造性,增强组织应对环境变化的能力;2实施事业部制,便于各事业部内部组织专业化生产,因而有利于提高生产效率和产品质量,降低成本;3利于企业的高层管理者摆脱日常事务,集中精力做好整体的、长远的大政方针及战略方面的决策;4各事业部被授权独立经营,可以促使相互间展开业绩竞争,从而促进整个企业的成长,并为企业培养高层管理者的后备人才;虽然事业部制在当今被特大型组织普遍采用,但其也存在着一些缺点;1增加了管理层级,造成机构重叠,人员增多,管理费用增加;2各事业部独立核算、自主经营,因此容易滋长本位主义,可能出现为了自身利益而损害企业整体利益的状况,且各事业部彼此间协调不易;7.2.5 矩阵制组织结构矩阵制组织结构Matrix System实际上是在直线——职能制组织结构的基础上,增加了横向的沟通协调机构;当组织的产品种类增多或为完成某些特定的任务时,需要许多参谋机构彼此协作才能够实现组织的有效运营,这就需要依据工作任务从直线系统中的各相关部门抽调人员组成临时或常设的机构,由此构成了横向领导系统;参加横向机构的人员既要接受所属职能机构的领导,又要接受横向机构的领导;因此,矩阵式组织结构的优点在于有利于使组织中的横向联系与纵向联系很好地结合起来,加强了各职能部门间的协调和信息沟通,提高任务完成的效率;同时,将不同专业背景的人员组织在一起工作,有助于激发员工的积极性和创造性,促进企业内各项创新活动的实现;但这种组织结构形式的双重领导模式违反了统一领导、统一指挥的组织原则,容易导致职责不清和不同职能部门间矛盾;图7-5 矩阵制组织结构7.2.6 网络组织网络组织Network organization是一种新型的组织结构形式,企业仅保留具有核心竞争力的机构,而将其他的一些职能,如研发、生产或销售等外包,由其下属公司或其他企业组织去承担;如图7-6所示,网络组织的核心只是一个小型管理机构,许多重要的职能不是由本组织完成,管理者的重要任务之一就是在各地寻求广泛合作和控制;例如美国着名的电脑生产商戴尔公司就是采用这样的组织结构形式,企业本身只承担核心部件的生产、整机组装、营销等其具有核心竞争力的活动,而由遍布全球的供应商根据其下达的订单为公司生产相应的组件;网络组织结构能够使组织具备高度的灵活性和对环境更好的适应性,在动态复杂环境下,企业组织面临具有高度不确定性的竞争环境且技术发展十分迅速,网络组织结构能够使组织将资源集中在自己具有竞争优势的活动上;但网络组织结构由于将部分职能外包,因而增加了控制上的难度,例如研发活动的外包,会使企业技术创新活动难以保密;生产活动外包,会使企业对产品的质量、交付期限等难以控制;销售活动外包,会使企业失去对顾客满意度等关键的顾客价值点的控制等;图7-6 网络组织结构组织结构设计的原则有关组织结构设计的原则方面的研究和论述非常丰富;法约尔提出的14条管理原则中就包含了组织结构设计的原则,如劳动分工、权责一致、统一领导、统一指挥、集中、等级制度等,这些原则可应用于各类组织;组织理论之父韦伯也指出,组织中每个职位的设计都必须对其权力和责任有明确的规定,组织应具有严格的纪律和高度的准确性、稳定性;之后许多管理学者对组织结构设计的原则进行总结和整理,基于已有的研究成果,本书提出了以下六条组织结构设计的原则;7.3.1 目标一致原则任何组织都有一个特定的目标和任务,组织结构必须能够保证组织目标的实现;组织结构的选择是否适当要以其是否有利于组织目标的实现为衡量标准;因此,在组织结构选择和构建之前必须首先明确组织的目标和任务,因为保证目标的实现将是组织结构运行的核心;组织结构的设计和构建,首先必须明确组织的目标和任务,进而进一步确定组织各机构的管理职能和所有承担的任务,在此基础上组织才能进一步确定各组织机构内应设置哪些部门,并为部门中的每个岗位配备适当的人员,以保证组织的有效运行;7.3.2 分工协作原则亚当·斯密提出劳动分工就是不能让一个人来完成所有的工作,而是将组织的工作划分为若干细项,由一个人单独承担起其中的一个细项,也就是说个人只承担某一部分的活动而不是所有的活动;分工协作是建立在个体间技能要素禀赋的差异之上的,通过分工能够使不同员工所具有的不同技能得到最有效的利用;如果一个员工要承担从高技能要求到低技能要求的所有工作,那么除了进行高技能要求的工作时间以外,其他的时间他都在低于其技能水平的状态下劳动,而员工报酬是按照其工作的技能要求而设定的,那么使高技能的员工从事低技能的工作,就必然导致资源的浪费;通过分工协作使每个员工都在适应其技能水平的岗位上工作,能够最大限度的有效利用资源,并使员工的劳动在协作的过程中产生“1+1>2”的协同效应;7.3.3 管理幅度原则管理幅度Span of Management是指一位管理者能够直接、有效管理的下属数量;管理幅度问题在管理学的早期研究中就已经被关注了;古典管理理论认为,管理幅度不宜太大,以窄小为宜,以利于对下属实现紧密的控制;最早进行这方面研究的是法约尔,他认为任何层级上的管理者都只能直接指挥数目较少的下属,一般不超过6个人;后续的研究又提出了不同。
生活化专业化层次化数学,是中职文化基础课的支柱学科之一。
中职数学教师不应当仅仅满足于按部就班地完成教学任务,而应当以科学发展的理念、改革创新的精神,创造性地处理现行教材、讲授知识和技能,竭尽全力为学生的可持续发展提供优质服务。
本文从导语生活化、新课专业化、作业层次化三个方面,谈谈中职数学的有效教学。
一、导语生活化导语生活化,就是在新课的导入部分,创设生活情境,调动学习兴趣。
上课伊始,要把学生的学习兴趣、心理情绪、注意力等等迅速吸引到老师营造的教学氛围中来,必须精心设计导语。
创设生活情境,让导语生活化,不失为一种值得借鉴的手段。
教学经验提示我们,当课堂教学和现实生活密切结合之时,正是学生的学习兴趣备加高涨之时。
新课导入,应该关注学生的生活体验,选择学生身边的、亲历的事物,提出相应的数学问题,使数学从抽象变得形象、从陌生变得亲近、从枯燥变得生动,努力创设一个生活化的情境,让学生在具体的现实情景中开始数学学习,体验数学和理解数学。
导语生活化,可以有两种设计:1.正例导入正例导入,就是直接引用生活案例,顺势展开讨论,水到渠成地引入新课的一种方法。
例如教授《基础模块》第5章“角的概念推广”时,可以这样设计导语:“同学们都去过游乐场,坐过摩天轮,摩天轮的每一个轿厢都挂在一个旋臂上。
如果小明与小华两人同时登上摩天轮,旋臂转过一圈后,小明下了摩天轮,而小华继续乘坐一圈。
那么,小华走下来时,旋臂转过的角度是多少呢?”游乐场摩天轮,是学生熟悉的生活情境。
这种导入使原来枯燥乏味的数学知识,变得亲切生动起来,有利于引入新课题。
通过这个实例可以发现,仅用锐角或0°~360°范围的角,已经不能反映生活中的一些实际问题,需要对角的概念进行推广。
根据新课的需要,还可以设置新疑问:“时间经过1小时,分针顺时针旋转1圈。
如果经过2小时、3小时……分针旋转几圈?旋转过的度数是多少?”这样将负角的概念与生活中大家熟悉的时针结合起来,提高学生的学习兴趣。
第七章系统设计通过本章学习,应当掌握以下内容1、系统设计的任务、目标和内容2、构造化设计的根本思想3、如何从数据流程图导出构造图4、一体化设计方法的根本原理与方法5、代码设计的原那么与方法6、输出设计的内容7、输入设计的原那么和内容8、输入数据的校验方法9、人机对话设计的原那么识记:一、系统设计的任务、目标和内容二、评价信息系统的标准三、构造化设计的根本理论四、模块、构造图的概念与使用五、模块的联系与耦合六、变换分析和事务分析方法的原理与运用七、代码的作用、类型、设计的原那么及代码检验八、输出设计的内容九、输入设计的原那么和内容十、输入数据的校验方法十一、人机对话设计的原那么领会:一、系统分析阶段要答复的中心问题是什么?二、为什么说从系统研制的角度讲,系统的可变更性是最重要的标准?三、构造图与数据流程图有什么区别与联系四、模块划分的原那么是什么?五、怎样度量耦合的高与低六、什么是模块的控制范围?什么是判断的作用范围?七、如何编写系统设计说明书应用:根据给定的数据流程图,能够画出信息系统构造图方案课时:8课时第一节系统设计的任务要求系统分析阶段要答复的中心问题是系统"做什么",即明确系统功能,这个阶段的成果是系统的逻辑模型。
系统设计要答复的中心问题是系统"怎么做",即如何实现系统说明书规定的系统功能。
在这一阶段,要根据实际的技术条件、经济条件和社会条件,确定系统的实施方案,即系统的物理模型。
一、评价信息系统的标准根据一个逻辑模型,可以提出多个物理模型。
我们怎样评价、选择物理模型呢?为此,我们有必要先简要讨论评价信息系统的标准。
面向管理的信息系统,其优劣程度取决于它为管理工作提供信息效劳的质量。
我们可以从六个方面来衡量。
1、信息系统的功能2、系统的效率3、系统的可靠性4、系统的工作质量5、系统的可变更性6、系统的经济性二、系统设计的目标系统设计必须从保证系统的变更性人手,设计出一个易于理解、容易维护的系统。
第七章大型设计中的层次结构7.1 设计方法概述CAD: Computer Aided DesignCAD技术是电子信息技术发展的杰出成果,它的发展与应用引发了一场工业设计和制造领域的革命。
EDA: Electronic Design Automation采用CAD技术进行电子系统和专用集成电路设计的技术。
EDA技术可面向三个不同的层次,即系统级、电路级和物理实现级。
现代EDA技术的特征:高级语言描述系统仿真(system simulation)综合优化(synthesis)传统的电子系统设计基本上采用自底向上(bottom-up)的设计方法,利用SPICE完成模拟验证。
这种方法要求设计者具有丰富的设计经验。
大部分电子系统的设计工作需要设计专家人工完成,同时任何一次设计方案的修改,都意味着一次详细设计过程的重复,再加上模拟验证速度较慢,因此无论在设计时间还是在设计精度上都不十分令人满意。
采用人工的自底向上设计方法,已很难满足当今电子系统的设计要求。
现在EDA采用的(top-down)的自顶向下的设计方法有效地实现了设计周期、系统性能和系统成本之间的最佳权衡。
这是一种层次化的设计方法。
设计在尽可能高的层次上开始进行,从而使设计者能在更大的空间内进行设计搜索,理解整个系统的工作状态,完成设计的权衡和相关的设计决策。
自上而下的设计方法,首先从系统设计入手,从顶层进行功能方框图划分和结构设计,这时的设计与工艺无关。
在方框图一级先进行仿真和纠错,用VHDL语言对高层次的系统行为级进行描述并在系统级进行验证。
然后,用逻辑综合优化工具生成具体门级逻辑电路的EDIF(Electronic Design Interchange Format,电子设计转换格式)网表,对应的物理实现级可以是PCB板或者是ASIC芯片。
设计的仿真和调试过程主要是在高层次完成,一方面有利于早期发现结构设计上的错误,避免设计工作的浪费,同时也减少了逻辑仿真的工作量。
自顶向下的设计方法方便了从系统级划分和管理整个项目;简化了设计队伍的管理;减少了不必要的重复;提高了设计的一次成功率。
同时,自顶向下的设计方法还提供整个设计过程中的各设计阶段的统一规范管理,包括系统的测试和各层次的模拟验证。
7.2数字系统设计与VHDL语言(1)系统设计主要解决:系统算法:总体算法行为、结构描述;系统设计划分:软硬件划分、单元划分、层次划分;软硬件结构:软硬件设计、实现结构;通信协议制定:板间、单元间、模块间的通信协议;(2)VHDL描述能力:(3)数字系统建模手段真值表:布尔方程、逻辑表达式状态图:状态机系统行为模型:行为描述算法行为模型:算法描述7.3 基本设计单元1、设计实体(实体说明entity构造体architecture)entity是设计的基本模块和设计的初级单元。
在层次化设计中,顶层有顶级实体,含在顶级实体中的较低层次的描述为低级实体。
靠元件例化把顶层实体和底层实体连接起来。
2、块blockblock语句的功能是将一大段并行语句代码,划分为多个block块。
它类似于在传统电路设计时,将一个大规模的电原理图,分割成多张子原理图的表示方法。
电原理图的分割关系,和VHDL 程序中用block块分割结构体的关系,是一一对应的。
block语句的语法格式为:块标号:block [(块保护表达式)][说明语句];begin[并发语句];End block标号名;块保护表达式是可选项,是一个布尔表达式。
只有保护表达式其为真时,该块中的语句才被启动执行。
否则,就不被执行。
用block语句形式设计一个“二选一”数据选择器的程序片段Architecture connect of mux isSignal tmp1,tmp2,tmp3: bit;beginCale:blockbegintmp1<=d0 and sel;tmp2<=d1 and (not sel);tmp3<=tmp1 or tmp2;q<=tmp3;end block cale;end connect;3、元件component程序包中的元件定义和使用4、函数function5、过程procedure6、程序包package程序包(package)是常用子程序和公用数据类型的集合,由程序包说明区域和程序包包体两部分组成,是构造设计的工具箱。
程序包说明区域可说明子程序、类型、常量和元件等。
7、库libraryieee;altera;lpm;std;work8、配置configuration1)、一个实体可以有多个构造体,通过配置语句可以建立实体-构造体之间的一一对应的连接关系。
2)、配置指出设计的每部分用哪一种元件,是把元件具体安装到实体的最基本的设计单元。
3)、配置为所配置的结构体指定具体安装元件的类属参数值,配置提供快速修改参数的能力,每当参数改变时,只需对配置重新编辑。
当一种实体、结构体的组合编辑到库中时就产生一个可仿真的对象。
程序包中的元件定义和使用下面的程序设计一个n位移位寄存器。
步骤:1、设计一个d触发器dff1;library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity dff1 isport(clk,d:in std_logic;q:out std_logic);end entity dff1;architecture dff1 of dff1 isbeginprocess(clk)beginif rising_edge(clk) thenq<=d;end if;end process;end architecture dff1;2、设计一个程序包myflop,说明元件dff1(如何在程序包中说明元件?)library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;package myflop iscomponent dff1 isport(clk,d:in std_logic;q:out std_logic);end component dff1;end package myflop;3、元件例化,完成n位移位寄存器的设计(顶层设计):library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity register8 isgeneric(n:integer:=8);port(clk,data_in:in std_logic;data_out:out std_logic);end entity register8;use work.myflop.all;architecture gen of register8 issignal x:std_logic_vector(n downto 0);beginx(0)<=data_in;reg_gen: for i in 0 to n-1 generateu1: dff1 port map(clk,x(i),x(i+1));end generate reg_gen;data_out<=x(n);end architecture gen;7.4大型设计的一般步骤1、把描述电路可能用到的新的数据类型、子类型、常数定义在一个程序包中。
2、如果需要对新的数据类型、子类型进行运算符重载、则将重载运算符、函数、过程定义在一个程序包中。
3、根据电路功能要求,构造基本元件程序包,基本元件是指设计中反复使用的公共元件。
4、将电路按功能划分为子电路1)、确定每个子电路的接口(端口说明);2)、描述每个子电路的功能(构造体);3)、子电路模拟(局部模拟);5、描述子电路之间的连接关系(算法描述)6、顶层设计(完成元件的组装)7、整体功能模拟(前验)8、下载编程9、pcb版功能调试(后验)设计一个模为60的8421BCD计数器,并用数码管显示。
设计思路:●将问题分解为:1)一个模为60的8421BCD计数器;输出的高四位代表十位数,低四位代表个位数。
2)设计一个七段译码器;●计数器和译码器收录到公用程序包;●用元件例化来实现顶层设计。
程序1、模为60的8421BCD计数器library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cntm60 is port( clk,reset,load,enable:in std_logic;d:in std_logic_vector(7 downto 0);co:out std_logic;qh:buffer std_logic_vector(3 downto 0);ql :buffer std_logic_vector(3 downto 0));end cntm60;architecture behav of cntm60 isbeginp1:process(clk,reset)beginif reset='1' thenqh<="0000";ql<="0000";elsif rising_edge(clk) thenif load='1' thenqh<=d(7 downto 4);ql<=d(3 downto 0);elsif enable='1' thenif ql=9 thenql<="0000";if qh=5 thenqh<="0000";elseqh<=qh+1;end if;elseql<=ql+1;end if ;end if ;end if ;end process p1;co<='1' when qh="0101" and ql="1001"else '0';end architecture behav;程序2、设计七段译码器library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity decode is port(data: in std_logic_vector(3 downto 0); decout:out std_logic_vector(6 downto 0)); end decode;architecture flow of decode isbegindecout<="1111110" when data="0000" else "0110000" when data="0001" else "1101101" when data="0010" else "1111001" when data="0011" else "0110011" when data="0100" else "1011011" when data="0101" else "0011111" when data="0110" else "1110000" when data="0111" else "1111111" when data="1000"else "1111011";end;程序3、设计程序包library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all; package cntpkg iscomponent cntm60 is port(clk,reset,load,enable:in std_logic;d:in std_logic_vector(7 downto 0);co:out std_logic;qh:buffer std_logic_vector(3 downto 0); ql:buffer std_logic_vector(3 downto 0)); end component;component decode is port(data: in std_logic_vector(3 downto 0); decout:out std_logic_vector(6 downto 0)); end component;end cntpkg;程序4、设计顶层文件library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity count60 isport(clk,reset,load,enable:in std_logic;d:in std_logic_vector(7 downto 0);co:out std_logic;q1:out std_logic_vector(6 downto 0);q2:out std_logic_vector(6 downto 0)); end count60;use tpkg.all;architecture arch of count60 issignal qa,qb: std_logic_vector(3 downto 0); beginu1:cntm60 port map(clk,reset,load,enable,d,co,qa,qb);u2:decode port map(qa,q1);u3:decode port map(qb,q2);end arch;。