数字系统设计概述

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1、教材,现代数字系统设计侯伯亨 徐君国 刘高平 西安电子科技大学出版社 2004,参考书,数字系统设计自动化 边计年 薛宏熙 苏明 清华大学出版社 2005 数字系统自动设计实用教程，刘明业，高等教育出版社，2004年7月 VHDL设计表示和综合，James R. Armstrong 著，李宗伯译，机械工业出版社，2002年5月,教学目的,了解用自动设计工具设计电子线路的基本方法和设计自动化工具的基本理论和技术。 掌握硬件描述语言VHDL，能利用EDA工具设计数字系统。,预备知识,1. 硬件设计的基础知识 数字逻辑 计算机组成原理 2. 算法的基础知识 程序设计语言 数据结构,教学大纲,数字系统

2、设计概述 数字系统的建模和结构 数字系统的算法描述 可编程逻辑器件和EDA开发工具 硬件描述语言VHDL 数字系统设计的基本步骤和技巧 仿真、逻辑综合 测试和可测试性设计 SOC和软硬件协同设计,1.数字系统设计概述,1.1 数字系统发展概述 1.2 数字系统设计方法,1.1 数字系统发展概述,第一代 20世纪70年代，以加工制造为主导的IC产业发展的初级阶段。集成电路的主流产品是微处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。 第二代 20世纪80年代，代加工(Foundry)公司与IC设计公司的崛起。集成电路的主流产品为微处理器(MPU)、微控制器(MCU)及专用IC(ASIC)。 第三代 20世纪

3、90年代，IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面。,1.1.1 数字系统和集成电路技术发展简史,集成电路的分类,1. 按工艺分类，最主要的有： 金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor, MOS）工艺； 晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic, TTL）； 发射极耦合逻辑（Emitter Coupled Logic, ECL）。,2. 按生产目的分类： 通用集成电路； 专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）

4、。 3. 按实现方式（设计风格）分类：全定制（Full -Custom）方式；半定制（Semi-Custom）方式；,二十世纪末期，集成电路工艺技术进入深亚微米阶段，单个芯片中已经可以容纳包括硬件和软件整个系统，即所谓系统级芯片（System On a Chip, SOC）。,一个系统级芯片结构的示意图,1.1.2 SOC,1.1.3 EDA(Electronic Design Automation）,EDA工具是为VLSI的设计、生产服务的，因而它必须适应VLSI技术的要求。EDA的发展可分为三个阶段： CAD(计算机辅助设计) 20世纪70年代 CAE(计算机辅助工程) 20世纪80年代

5、ESDA(电子系统设计自动化) 20世纪90年代。,1. 2 数字系统设计方法,数字系统设计信息的描述可以根据抽象层次划分为行为域、结构域和物理域,1.2.1 数字系统设计描述,行为域描述强调的是行为，它说明电路的功能，即电路的输入一输出的关系，但与该行为的实现无关。 结构域描述说明组成电路的各部件及部件问的拓扑连接关系，即互连功能部件的层次关系。 物理域描述说明生产和制造物理实体所需要的信息(如几何布局或拓扑约束等),晶体管级：晶体管级是最底层，主要构件是晶体管、电阻等。 门级：门级的主要构件是门、触发器等。 寄存器级：寄存器级的主要构件是算术逻辑单元、寄存器等。 硬件模块级：硬件模块级的主

6、要构件是由寄存器级单元构成的乘法器、加法器等硬件功能模块。 处理机级：处理机级是最高抽象层，主要构件有CPU、存储器、IO接口等。,抽象层次一般由结构描述的粒度来区分，可以从低到高分为五级：晶体管级、门级、寄存器级、硬件模块级和处理机级。,用Y图表示自上而下的综合和设计过程,综合与分析：综合实际上是一个设计过程，是从行为域向结构域的转换或映射过程，分析则是与综合相反的过程。 抽象与细化：抽象是从物理域向行为域的转换或映射过程，细化是均抽象相反的过程。 生成与提取：生成是从结构域向物理域的转换或映射过程，提取是与生成相反的过程。,设计的抽象层次与其复杂度的关系呈现金字塔状，随着抽象层次(从晶体管

7、级到系统级)的增向，构成的部件数日呈减少趋势。,一个系统在行为域、结构域和物理域描述的简单例子,1.2.2 设计过程,设计的过程实际上就是从概念到制造的过程，即把高层次的抽象描述逐级向下进行综合和实现，细化为接近物理实现的低层次描述。在设计中应包括一系列设计任务和相应的CAD和EDA工具。,设计过程一般由三个阶段：设计输入要求、系统设计和设计输出要求组成。,每个阶段又分为综合、分析和验证三个步骤。,综合： 为设计对象创建一个新的表示或提供现成表示的细化。 （1）目标电路的预期功能一般是行为描述。因此，与综合器配合使用的HDL应包含行为描述的能力。 （2）综合的结果是一个设计方案。该设计方案必须

8、满足预期功能和约束条件的要求。,分析： 对行为、结构和物理设计的正确性和完整性作评价，即对性能、体积大小功耗等作评价。,验证/确认： ：验证结构表示和物理表示的等效关系。 通常验证的方法有模拟或称仿真、规则检查和形式验证三种。 仿真是从电路的描述抽象出模型，然后将外部激励信号或数据施加于该模型，并观察其响应，以判断是否实现了预定的功能。 规则检查的目的是分析各种数据的关系是合符合规则。 形式验证则是利用理论证明的方法来验证设计结果的正确性。,一个典型完整的设计过程(自上而下）,一个典型的硬件软件协同设计的流程图,可以采用瀑布流水模式或螺旋模式两种模式,瀑布流水模式,螺旋模式,1.2.3 设计过

9、程,1）自下而上的设计方法： 自下而上的设计方法即结构设计方法。 主要特点是按层次模块化、结构化。 缺点：在系统设计的早期就将系统人为地分为硬件和软件两个部分，并先分别独立进行硬件和软件设计，软件的开发受到硬件的严格限制。,2）自上而下的设计方法： 这种设计方法的思想是按从抽象到具体，从概念到实现的思路和次序进行设计的，从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。将系统的硬件设计分成3个层次： 第一层次是对整个系统购数学模型的描述，称为行为描述。 第二层次是采用RTL方式导出系统的逻辑表达式，供逻辑综合使用，称为RTL方式描述。 第三层次则是逻辑综合,自上向下

10、设计方法的一个简单实例,3）并行设计方法： 随着工艺技术的发展，深亚微米已经投入实用，采用自上而下的设计方法进行与工艺无关的高层次行为功能设计时并不考虑物理上的互连效应和功耗等的影响，与实际情况差异较大，因而常常产生设计错误，造成设计反复，并行设计方法正是面对这一挑战而提出来的。 并行设计方法的最大特点是，概念设计、功能设计及物理设计(物理布局规划等)统一考虑，并行地进行工作。充分利用各层次设计中的信息反馈，形成合理的约束集，并依此优化设计。,1.2.4 硬件描述语言的特点,适用于自上而下(Top Down)的设计方法 系统中可大量采用ASIC芯片 采用系统早期仿真 降低了硬件电路设计难度 主要设计文件可用HDL语言编写,