01數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述課件

1、教材現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)侯伯亨 徐君國 劉高平 西安電子科技大學(xué)出版社 2019參考書數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化 邊計(jì)年 薛宏熙 蘇明 清華大學(xué)出版社 2019數(shù)字系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)用教程，劉明業(yè)，高等教育出版社，2019年7月VHDL設(shè)計(jì)表示和綜合，James R. Armstrong 著，李宗伯譯，機(jī)械工業(yè)出版社，2019年5月教學(xué)目的了解用自動(dòng)設(shè)計(jì)工具設(shè)計(jì)電子線路的基本方法和設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具的基本理論和技術(shù)。掌握硬件描述語言VHDL，能利用EDA工具設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)。預(yù)備知識(shí)1. 硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)數(shù)字邏輯計(jì)算機(jī)組成原理2. 算法的基礎(chǔ)知識(shí)程序設(shè)計(jì)語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)教學(xué)大綱數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述數(shù)字系統(tǒng)的建模和結(jié)構(gòu)數(shù)字系

2、統(tǒng)的算法描述可編程邏輯器件和EDA開發(fā)工具硬件描述語言VHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本步驟和技巧仿真、邏輯綜合測試和可測試性設(shè)計(jì)SOC和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)1.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述1.1 數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展概述1.2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法1.1 數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展概述 第一代 20世紀(jì)70年代，以加工制造為主導(dǎo)的IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初級(jí)階段。集成電路的主流產(chǎn)品是微處理器、存儲(chǔ)器以及標(biāo)準(zhǔn)通用邏輯電路。第二代 20世紀(jì)80年代，代加工(Foundry)公司與IC設(shè)計(jì)公司的崛起。集成電路的主流產(chǎn)品為微處理器(MPU)、微控制器(MCU)及專用IC(ASIC)。第三代 20世紀(jì)90年代，IC產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向高度專業(yè)化轉(zhuǎn)化成為一種趨勢，開始形成了

3、設(shè)計(jì)業(yè)、制造業(yè)、封裝業(yè)、測試業(yè)獨(dú)立成行的局面。1.1.1 數(shù)字系統(tǒng)和集成電路技術(shù)發(fā)展簡史集成電路的分類 1. 按工藝分類，最主要的有： 金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor, MOS）工藝； 晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic, TTL）； 發(fā)射極耦合邏輯（Emitter Coupled Logic, ECL）。2. 按生產(chǎn)目的分類： 通用集成電路； 專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）。3. 按實(shí)現(xiàn)方式（設(shè)計(jì)風(fēng)格）分類：全定制（Full -Custom

4、）方式；半定制（Semi-Custom）方式； 二十世紀(jì)末期，集成電路工藝技術(shù)進(jìn)入深亞微米階段，單個(gè)芯片中已經(jīng)可以容納包括硬件和軟件整個(gè)系統(tǒng)，即所謂系統(tǒng)級(jí)芯片（System On a Chip, SOC）。一個(gè)系統(tǒng)級(jí)芯片結(jié)構(gòu)的示意圖 1.1.2 SOC1.1.3 EDA(Electronic Design Automation） EDA工具是為VLSI的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)服務(wù)的，因而它必須適應(yīng)VLSI技術(shù)的要求。EDA的發(fā)展可分為三個(gè)階段：CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)) 20世紀(jì)70年代CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程) 20世紀(jì)80年代ESDA(電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化) 20世紀(jì)90年代。1. 2 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 數(shù)

5、字系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息的描述可以根據(jù)抽象層次劃分為行為域、結(jié)構(gòu)域和物理域1.2.1 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述行為域描述強(qiáng)調(diào)的是行為，它說明電路的功能，即電路的輸入一輸出的關(guān)系，但與該行為的實(shí)現(xiàn)無關(guān)。結(jié)構(gòu)域描述說明組成電路的各部件及部件問的拓?fù)溥B接關(guān)系，即互連功能部件的層次關(guān)系。物理域描述說明生產(chǎn)和制造物理實(shí)體所需要的信息(如幾何布局或拓?fù)浼s束等)晶體管級(jí)：晶體管級(jí)是最底層，主要構(gòu)件是晶體管、電阻等。門級(jí)：門級(jí)的主要構(gòu)件是門、觸發(fā)器等。寄存器級(jí)：寄存器級(jí)的主要構(gòu)件是算術(shù)邏輯單元、寄存器等。硬件模塊級(jí)：硬件模塊級(jí)的主要構(gòu)件是由寄存器級(jí)單元構(gòu)成的乘法器、加法器等硬件功能模塊。處理機(jī)級(jí)：處理機(jī)級(jí)是最高抽象層，主要構(gòu)件

6、有CPU、存儲(chǔ)器、IO接口等。 抽象層次一般由結(jié)構(gòu)描述的粒度來區(qū)分，可以從低到高分為五級(jí)：晶體管級(jí)、門級(jí)、寄存器級(jí)、硬件模塊級(jí)和處理機(jī)級(jí)。用Y圖表示自上而下的綜合和設(shè)計(jì)過程綜合與分析：綜合實(shí)際上是一個(gè)設(shè)計(jì)過程，是從行為域向結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)換或映射過程，分析則是與綜合相反的過程。抽象與細(xì)化：抽象是從物理域向行為域的轉(zhuǎn)換或映射過程，細(xì)化是均抽象相反的過程。生成與提?。荷墒菑慕Y(jié)構(gòu)域向物理域的轉(zhuǎn)換或映射過程，提取是與生成相反的過程。 設(shè)計(jì)的抽象層次與其復(fù)雜度的關(guān)系呈現(xiàn)金字塔狀，隨著抽象層次(從晶體管級(jí)到系統(tǒng)級(jí))的增向，構(gòu)成的部件數(shù)日呈減少趨勢。一個(gè)系統(tǒng)在行為域、結(jié)構(gòu)域和物理域描述的簡單例子1.2.2 設(shè)計(jì)

7、過程 設(shè)計(jì)的過程實(shí)際上就是從概念到制造的過程，即把高層次的抽象描述逐級(jí)向下進(jìn)行綜合和實(shí)現(xiàn)，細(xì)化為接近物理實(shí)現(xiàn)的低層次描述。在設(shè)計(jì)中應(yīng)包括一系列設(shè)計(jì)任務(wù)和相應(yīng)的CAD和EDA工具。設(shè)計(jì)過程一般由三個(gè)階段：設(shè)計(jì)輸入要求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)輸出要求組成。輸入規(guī)格輸出規(guī)格系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具每個(gè)階段又分為綜合、分析和驗(yàn)證三個(gè)步驟。綜合： 為設(shè)計(jì)對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)新的表示或提供現(xiàn)成表示的細(xì)化。 （1）目標(biāo)電路的預(yù)期功能一般是行為描述。因此，與綜合器配合使用的HDL應(yīng)包含行為描述的能力。 （2）綜合的結(jié)果是一個(gè)設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案必須滿足預(yù)期功能和約束條件的要求。分析： 對(duì)行為、結(jié)構(gòu)和物理設(shè)計(jì)的正確性和完整性作評(píng)價(jià)，即對(duì)性

8、能、體積大小功耗等作評(píng)價(jià)。驗(yàn)證/確認(rèn)：驗(yàn)證結(jié)構(gòu)表示和物理表示的等效關(guān)系。通常驗(yàn)證的方法有模擬或稱仿真、規(guī)則檢查和形式驗(yàn)證三種。仿真是從電路的描述抽象出模型，然后將外部激勵(lì)信號(hào)或數(shù)據(jù)施加于該模型，并觀察其響應(yīng)，以判斷是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能。規(guī)則檢查的目的是分析各種數(shù)據(jù)的關(guān)系是合符合規(guī)則。形式驗(yàn)證則是利用理論證明的方法來驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。一個(gè)典型完整的設(shè)計(jì)過程(自上而下）一個(gè)典型的硬件軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的流程圖可以采用瀑布流水模式或螺旋模式兩種模式瀑布流水模式螺旋模式1.2.3 設(shè)計(jì)過程1）自下而上的設(shè)計(jì)方法：自下而上的設(shè)計(jì)方法即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。主要特點(diǎn)是按層次模塊化、結(jié)構(gòu)化。缺點(diǎn)：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期就將

9、系統(tǒng)人為地分為硬件和軟件兩個(gè)部分，并先分別獨(dú)立進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，軟件的開發(fā)受到硬件的嚴(yán)格限制。2）自上而下的設(shè)計(jì)方法： 這種設(shè)計(jì)方法的思想是按從抽象到具體，從概念到實(shí)現(xiàn)的思路和次序進(jìn)行設(shè)計(jì)的，從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，自上而下地逐步將設(shè)計(jì)內(nèi)容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)。將系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分成3個(gè)層次：第一層次是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)購數(shù)學(xué)模型的描述，稱為行為描述。第二層次是采用RTL方式導(dǎo)出系統(tǒng)的邏輯表達(dá)式，供邏輯綜合使用，稱為RTL方式描述。第三層次則是邏輯綜合自上向下設(shè)計(jì)方法的一個(gè)簡單實(shí)例 3）并行設(shè)計(jì)方法： 隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，深亞微米已經(jīng)投入實(shí)用，采用自上而下的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行與工藝無關(guān)的高層次行為功能設(shè)計(jì)時(shí)并不考慮物理上的互連效應(yīng)和功耗等的影響，與實(shí)際情況差異較大，因而常常產(chǎn)生設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，造成設(shè)計(jì)反復(fù)，并行設(shè)計(jì)方法正是面對(duì)這一挑戰(zhàn)而提出來的。 并行設(shè)計(jì)方法的最大特點(diǎn)是，概念設(shè)計(jì)、功能