第1章電子系統(tǒng)設計概論

27五月2023第1章電子系統(tǒng)設計概論課程宗旨建立現代數字電子系統(tǒng)設計的概念；更新傳統(tǒng)數字電路的設計觀念，建立用PLD器件取代傳統(tǒng)TTL器件設計數字電路與系統(tǒng)的思想更新數字系統(tǒng)設計手段，學會使用硬件描述語言（HardwareDescriptionLanguage）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數字電路設計方法（畫電路圖）來設計數字系統(tǒng)。1.1什么是數字系統(tǒng)？數字電子系統(tǒng)：簡稱為數字系統(tǒng)。是可以完成某種（或多種）特定的、功能不單一的一種電子系統(tǒng)。數字器件：即數字IC芯片。是構成數字系統(tǒng)的基本部件，是數字系統(tǒng)的“元素”或“細胞”。一個數字電子設備（產品），小到一個數字電子鐘，大到一臺數控車床或超級計算機，都是一個“數字電子系統(tǒng)”。數字系統(tǒng)與數字器件的主要區(qū)別數字系統(tǒng)一般應包含某種控制器及受控單元，并且功能不那么單一。例如：一個大規(guī)模集成的數字存儲器，它一般只被認為是一個數字器件而非一個數字系統(tǒng)。而一個數字電子鐘，雖然該數字鐘的芯片集成度并不一定很高，但它卻可被認為是一個數字系統(tǒng)。因為數字鐘內不僅包含有受控單元（如計數器），也有某種控制器（如分頻控制電路、校時、預置電路等）。并不僅僅只看系統(tǒng)是否相當復雜及芯片集成度的高低。計算機中使用的內存條一個聲音處理系統(tǒng)應用中的數字系統(tǒng)芯片數字器件數字器件是構成數字系統(tǒng)的“元素”或“細胞”；標準TTL或CMOS數字集成電路（如各種門電路、計數器、寄存器、譯碼器等），是數字器件。最簡單的邏輯器件是與、或、非門（74LS00，74LS04等），在此基礎上可實現復雜的時序和組合邏輯功能。近來人們已經能夠在單一半導體芯片上設計、制造百萬個以上的晶體管，這種高集成度的IC芯片已經開始具備以往一個數字系統(tǒng)的全部特性與功能，這就產生了現代所謂的“單片系統(tǒng)”（SOC，即SystemOnaChip）和SOPC。此時數字器件已發(fā)展成為數字系統(tǒng)由于單片系統(tǒng)集成度高、功耗低、功能強大，工作可靠，正受到人們越來越大的重視,今后必將會有光明的發(fā)展前景。數字器件焊在電路板上的數字器件給單片機作接口控制的數字芯片SOPC系統(tǒng)Sopc系統(tǒng)可編程邏輯器件可編程邏輯器件（PLD－－ProgrammableLogicDevice）是一種通用的電子器件，其功能不是固定不變的，而是可根據用戶的需要而進行改變，即：可通過編程設計的方法來定義器件的邏輯功能。這頗類似于單片機的特性。但是PLD與MCU有基本的不同：MCU是通過軟件（指令）來實現預期的功能；而PLD是通過內部硬件布線、以硬件來實現預期的功能。所以PLD完成邏輯功能的工作速度比MCU要快得多。1.2構建數字系統(tǒng)的途徑1.標準化的中、小規(guī)模數字集成電路。特點：簡單易用、價格低廉，應用廣泛，集成度較低，功能受限。一般需要用較多的芯片才能構建一個數字系統(tǒng),并需要進行大量的芯片間連線，致使系統(tǒng)構成復雜、功耗高、可靠性偏低。標準化的中、小規(guī)模數字集成電路是設計數字系統(tǒng)的基本方法之一。構建數字系統(tǒng)的途徑－使用CPU、MCU及DSP2.基于LSI(大規(guī)模集成LargeScaleIntegration)或VLSI(超大規(guī)模集成技術（VeryLargeScaleIntegration）的微處理器。如各種通用或嵌入式CPU、MCU（微控制器）及數字信號處理器DSP。使用CPU、MCU及DSP的系統(tǒng)使用CPU、MCU及DSP構建數字系統(tǒng)特點：CPU、MCU、DSP依靠執(zhí)行指令（軟件）可以方便的實現幾乎任意的數字邏輯功能，其應用靈活性極強。但這些微處理器一般需要一定的數字接口器件相配合才能有效工作；依靠執(zhí)行軟件來完成數字邏輯功能的工作方法導致其工作速度相對較慢，故在一些需要高速、實時工作的應用場合它們的應用就受到一定的限制。3.基于LSI或VLSI的專用集成電路ASICASIC(即ApplicationSpecificIC)是一種為完成某種特定的電路功能而專門設計、生產的IC器件。特點：需要專門設計/定制，大規(guī)模集成。性能強、功耗低、工作可靠性高、保密性高、大批量應用時成本也較低；但其功能專一且不能改變，不適宜在電子產品的研發(fā)階段予以使用。ASIC分類：按功能的不同可分為：數字ASIC、模擬ASIC及混合型ASIC。綜合言之，使用ASIC進行數字系統(tǒng)設計需要較高的開發(fā)費用、設計與制造周期也較長。所以ASIC只適合在大批量工業(yè)應用的場合中使用。4.基于LSI/VLSI的可編程邏輯器件PLD(Programmab1eLogicDvice)。PLD是一種從二十世紀70年代開始發(fā)展起來的一種完全由用戶自行定義芯片邏輯功能的“通用型”數字器件。它可以看作是半定制ASIC的一個重要分支,也是目前數字電子技術中發(fā)展最為迅速的一個領域。芯片廠商將其作為一種通用數字器件進行設計、生產；而用戶則可以在相應的EDA開發(fā)系統(tǒng)的支持下自行對PLD進行功能定義與設計。經過用戶定義與設計的PLD器件就立即變成了具有用戶所要求的特定功能的專用集成電路ASIC。如果設計有誤，用戶只需修改錯誤，重新對芯片進行定義配置即可。在這個意義上說，通用型的數字器件PLD可以歸之為一種半定制的ASIC。顯然這種具有即改即用特性的PLD器件的出現，使現代數字系統(tǒng)的設計與開發(fā)進入到了一種嶄新的階段。PLD的特點：由用戶自定義器件的功能、大規(guī)模集成。設計周期短、設計風險低、應用靈活、系統(tǒng)功能強大、功耗低。用PLD來進行數字系統(tǒng)的開發(fā)與設計已成為現代電子設計的一種方向與潮流。百萬門級的PLD芯片1.3可編程邏輯器件與EDA技術其實，最早的可編程邏輯器件就是可寫入存貯器(PROM)，包括（三種）▲可編程只讀存貯器(PROM)、▲紫外線可擦除的只讀存貯器(EPROM)▲電可擦除只讀存貯器(EEPROM)。由于結構的限制，這類芯片雖然能夠完成一些簡單的組合邏輯電路功能，但它們一般也只作為存貯器來使用。通用可編程邏輯器件到了20世紀70年代人們研制出了可編程邏輯器件，包括：▲PLA(Programmab1eLogicArray即可編程邏輯陣列)▲PAL(Programmab1eArrayLogic即可編程陣列邏輯)▲GAL(GeneralArrayLogic即通用陣列邏輯)。PAL/PLA/GAL器件的集成度一般都不超過1000門，故被稱為簡單可編程邏輯器件SPLD(SimpleProgrammab1eLogicDevice)。PLA因電路復雜、編程設計較困難，發(fā)展緩慢，很少應用。GAL是在PAL的基礎上改進設計后問世，至今仍得到廣泛應用。這些早期的SPLD器件的一個共同特點是可以實現速度特性良好的數字邏輯功能，是取代74系列邏輯器件的通用數字芯片。但其相對簡單的電路結構也使它們只適合完成不是太復雜的數字邏輯功能。傳統(tǒng)的數字電路設計使用中、小規(guī)模器件設計電路（74、54系列與CD4000、CD4500系列）進行邏輯電路設計。各種門電路（74LS02/04/06）觸發(fā)器（74LS74）編碼器（74LS148）譯碼器（74LS154）比較器（74LS85）計數器（74LS193）移位寄存器（74LS194）………傳統(tǒng)的數字電路設計方法邏輯（布爾）代數是數字電路理論基礎數字電路設計的基本方法組合電路設計問題邏輯關系真值表化簡(卡諾圖)邏輯圖時序電路設計列出原始狀態(tài)轉移圖和表狀態(tài)優(yōu)化狀態(tài)分配觸發(fā)器選型求解方程式邏輯圖設計方法的局限卡諾圖只適用于輸入比較少的函數的化簡。采用“搭積木”的方法的方法進行設計。必須熟悉各種中小規(guī)模芯片的使用方法，從中挑選最合適的器件，缺乏靈活性。設計系統(tǒng)所需要的芯片種類多，且數量很大。采用中小規(guī)模器件的局限電路板面積很大，芯片數量很多，功耗很大，可靠性低－－應提高芯片的集成度設計比較困難－－將手工設計方法提升為計算機輔助設計方法（使用EDA設計工具）。電路存儲、修改都麻煩－－使用EDA設計工具PLD器件與設計技術的出現改變了這一切PLD出現的背景電路集成度不斷提高SSIMSILSIVLSI計算機技術的發(fā)展使EDA技術得到廣泛應用設計方法的發(fā)展自下而上自上而下用戶需要設計自己需要的專用電路與器件專用集成電路（ASIC－ApplicationSpecificIntegratedCircuits）開發(fā)周期長，投入大，風險大可編程器件(PLD)：開發(fā)周期短，投入小，風險小PLD器件的優(yōu)點PLD集成度高，可以替代多至幾千塊通用IC芯片極大減小電路的面積，降低功耗，提高可靠性CAD技術的發(fā)展提供了完善先進的EDA開發(fā)工具提供語言、圖形、波形等設計方法，靈活、方便通過仿真工具來驗證設計的正確性，提高設計的成功率?？梢苑磸偷夭脸⒕幊膛渲?，方便進行設計修改和升級。靈活地定義管腳功能，簡化應用減輕設計工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間保密性好一個PLD芯片：GAL16V8復雜可編程邏輯器件20世紀80年代中期美國Altera公司和Xilinx公司分別推出了類似于PAL結構的擴展型復雜可編程邏輯器件CPLD(ComplexProgrammab1eLogicDvice)和與標準門陣列結構類似的現場可編程門陣列FPGA(FieldProgrammableGateArray)。CPLD/FPGA的集成度可做得很大（可達幾萬到幾百萬門/片），用它可以替代幾十至幾千塊普通的標準數字集成芯片。用這樣的CPLD/FPGA實際上就能實現一個數字系統(tǒng)或子系統(tǒng)。這種高功能、高集成度的器件目前在世界范圍都受到電子設計人員的廣泛關注和普遍歡迎。與專用ASIC芯片相比，CPLD/FPGA具有設計開發(fā)周期短、設計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產品無需測試、質量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此已廣泛應用于數字系統(tǒng)與數字產品的設計與生產中。幾乎所有應用門陣列、ASIC、SPLD和中小規(guī)模通用數字集成電路的場合都可應用CPLD或FPGA器件。由于Altera公司的CPLD器件系列和Xilinx公司的FPGA器件系列開發(fā)較早，種類較多，功能最強，因此其知名度也最高，它們占用了較大的PLD市場分額。一個PLD芯片：EP1K100集成度10萬門；內含約100個晶體管管腳數目：208個電源：3.3V（I/O）2.5V（內核）速度250MHz內部資源4992個邏輯單元10萬個邏輯門49152bit的RAMPLD的發(fā)展趨勢向高集成度、高速度方向進一步發(fā)展最高集成度已達到600萬門向SOPC方向發(fā)展可設計片內CPU、DSP及接口控制電路，構成各種嵌入式系統(tǒng)。向低電壓和低功耗方向發(fā)展，5V3.3V2.5V1.8V1.5V或更低內嵌多種功能模塊RAM，ROM，FIFO，DSP，CPU向數、?；旌峡删幊谭较虬l(fā)展（內含ADC、DAC、PWM、PLL等）SOPC設計世界上主要的PLD生產廠家最大的PLD供應商之一FPGA的發(fā)明者，最大的PLD供應商之一ISP技術的發(fā)明者提供軍品及宇航級產品Altera公司▲世界最大的可編程邏輯器件供應商之一。主要PLD產品有：MAX3000/7000/9000、FELX6K/8K/10K、ACEX1K、APEX20K、Cyclone、Stratics等系列。其中Cyclone、Stratics系列器件是SOPC器件?！_發(fā)工具MaxplusII/QuartusII是一種相當成功的CPLD開發(fā)平臺。在我國高校中使用面很大。對AHDL設計有很好的支持?！玀axplusII/QuartusII系統(tǒng)的VHDL/VerilogHdl綜合能力不夠強,須借助其他EDA公司的HDL綜合工具才能很好的對VHDL/VerilogHdl設計進行深層次的設計與應用開發(fā)。Xilinx公司▲世界最大的可編程邏輯器件供應商之一。產品種類較全，主要有：XC9500/4000，Spartan,Vertex，Coolrunner(XPLA3)等。其開發(fā)軟件為Foundition和ISE等，它們具有強大的系統(tǒng)設計、綜合與仿真功能。Altera和Xilinx的CPLD/FPGA決定了PLD技術的發(fā)展方向，這兩家公司的產品占了世界PLD市場份額約60％。EDA技術PLD器件尤其是大規(guī)模集成的CPLD/FPGA器件的設計與應用必須要得到電子設計自動化（ElectronicDesignAutomation,即EDA）工具軟件的支持。這是PLD器件與普通數字邏輯器件（如74/54系列TTL器件和CD4000系列CMOS器件）在應用方法上最顯著的差異。隨著數字集成電路集成度的提高，從：ＳＳＩ(SmallScaleIntegrasted,小規(guī)模集成，≤100半導體元件)、ＭＳＩ（MidleScaleIntegrasted,中規(guī)模集成，≤1,000半導體元件）ＬＳＩ(LargeScaleIntegrasted,大規(guī)模集成，≤10,000元件)ＶＬＳＩ(VeryLargeScaleIntegrasted，超大規(guī)模集成，>10,000半導體元件)；數字系統(tǒng)的設計方法，也隨著同時代微電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展而從手工電路設計走向了電子設計自動化(EDA)設計的階段。EDA設計EDA是以電子計算機為設計工具和設計平臺、以電子線路硬件描述語言HDL(HardwareDescriptionLanguage)為主要系統(tǒng)描述手段，綜合現代CAD（計算機輔助設計）、CAT（計算機輔助測試）、CAE（計算機輔助工程）技術、自動、高速的完成系統(tǒng)電路邏輯編譯、邏輯化簡、邏輯綜合、邏輯仿真、邏輯優(yōu)化直至邏輯芯片版圖實現，是一種自動化電子系統(tǒng)與IC設計的技術和設計工具。大規(guī)模或超大規(guī)模集成器件的開發(fā)與應用、電子系統(tǒng)功能的提高，使得相應的設計和驗證變得十分復雜。手工化的電子設計已經難以開展甚至不可能進行,只有依靠計算機輔助設計，才能進行LSI和VLSI的設計與開發(fā)。EDA應用的三方面EDA主要能輔助進行4方面的系統(tǒng)設計與開發(fā)工作：1、電子線路設計;(如PROTEL中的SCH設計)2、PCB設計;(如PROTEL中的PCB設計)3、IC設計;(如CANDENCE公司的SPW系統(tǒng))4、PLD設計(如MaxplusII/QuartusII中的GDF和HDL設計)沒有EDA技術的支持，想要完成復雜的電子系統(tǒng)和大規(guī)模集成電路的設計與制造是不可想象的，反過來，生產制造技術的不斷進步又對EDA技術提出新的要求。沒有EDA技術的進步，就無法有效的設計與應用現代復雜電子系統(tǒng)和大規(guī)模集成電路芯片，也不會有現代電子技術的今天EDA技術的迅猛發(fā)展，使得整個電子系統(tǒng)設計與微電子器件設計的面貌發(fā)生了深刻改變。因此，學習和掌握電子系統(tǒng)的EDA設計方法和EDA開發(fā)工具，是我們掌握現代數字系統(tǒng)設計技術的必需之路。世界最知名的專業(yè)EDA公司1、CANDENCE公司2、SYNOPSYS公司3、