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1、MATLAB系统级仿真分析 第一次课 概述,微电子学院 高海霞,课程说明,学时：20（共十次课） 学分：1.5 教师：高海霞（前七次课） 马佩军（后三次课） 教材：无 课件：课后到下述邮箱下载 账户：matlab_密码：matlab_nancy 考核：大作业,一、MATLAB简介,MATLAB的产生与发展20世纪70年代后期，时任美国新墨西哥大学的Cleve Moler教授出于减轻学生编程负担的动机，用FORTRAN语言编写了最早的MATLAB。MATLAB由MATrix和LABoratory两词的前3个字母组合而成，即解决线性代数中的矩阵运算问题。1984年美国Math Works公司把MA
2、TLAB正式推向市场，从这时起，MATLAB的内核采用C语言编写，而且除原有的数值计算能力外，还新增了数据图视功能。从1997年春的5.0版起，后历经6.0、6.5、7.0、7.5（2007年）等多个版本的不断改进，目前已经推出了8.0版，现在的MATLAB已经远不仅仅是一个“矩阵实验室”，它已经成为一个集概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现于一体的集成环境，它拥有许多衍生的子集工具。,西安电子科技大学出版社： 基于MATLAB的系统分析与设计丛书书名：基于MATLAB的系统分析与设计小波分析 书名：基于MATLAB的系统分析与设计控制系统 书名：基于MATLAB的系统分析与设计神经网络 书
3、名：基于MATLAB的系统分析与设计信号处理 书名：基于MATLAB的系统分析与设计图像处理 书名：基于MATLAB的系统分析与设计时频分析 书名：基于MATLAB的系统分析与设计模糊系统,一、MATLAB简介,MATLAB的应用范围,西安电子科技大学出版社： MATLAB工程应用丛书书名：Simulink 建模与仿真 书名：MATLAB 应用图像处理 书名：控制系统设计与仿真 书名：MATLAB6.x图形编程与图像处理 书名：MATLAB辅助模糊系统设计 书名：MATLAB辅助现代工程数字信号处理 书名：MATLAB及在电子信息课程中的应用 书名：MATLAB 6.0与科学计算,一、MATL
4、AB简介,MATLAB的应用范围,书名:MATLAB基础与编程入门 书名:MATLAB外部接口编程 书名:Simulink动态系统建模与仿真基础 书名:控制系统设计与仿真 书名:DSP程序开发-MATLAB调试及直接目标代码生成 书名：MATLAB遗传算法工具箱及应用 书名：电力系统的MATLAB/SIMULIK仿真与应用 书名：GPS基本原理及其MATLAB仿真 书名：MATLAB辅助现代工程数字信号处理 MATLAB相关书籍种类极多，其应用几乎涉及所有领域。,一、MATLAB简介,MATLAB的应用范围西电出版的其他部分书籍,MATLAB扩展：支持在MATLAB中对系统的实施和开发。 MA
5、TLAB工具箱：专用的函数库用来解决特定领域（通信系统、信号处理、小波分析、神经网络、控制系统等）的问题。 Simulink：结合了框图界面和交互仿真能量的系统级设计和仿真工具，可以让用户完成从算法开发、仿真或者模型验证的全过程。 Blockset：是为simulink建立的许多专门领域应用的模块集。,一、MATLAB简介,MATLAB产品家族,集成电路应用实例,国防科大硕士论文,成电硕士论文,成电硕士论文,西电,基于ASIC的电压和电流有效值电路设计,西电,GPS系统 开关电容ADC 脉冲调制器 信号产生系统 频率合成器 卷积码译码器 DDS芯片 全数字锁相环 脉冲占空比控制电路 运动控制高
6、速芯片 位同步电路 视频信号解码器芯片,MATLAB的主要特点,具有丰富的数学功能 1.各种矩阵运算，如：正交变换、三角分解、特征值、常见特殊矩阵等 2.各种特殊函数。如：贝塞尔函数、勒让德函数、伽码函数、贝塔函数、椭圆函数等。 3.各种数学运算。如：数值微分、数值积分、插值、求极值、方程求根、FFT 、常微分方程的数值解等。 具有很好的图视系统 1.可方便地画出两维和三维图形 2.高级图形处理。如：色彩控制、句柄图形、动画 3.图形用户界面GUI制作工具，可以制作用户菜单和控件。使用者可以根据自己的需求编写出满意的图形界面。 可以直接处理声音和图形文件 1.声音文件。如： WAV文件（例：w
7、avread，sound等） 2.图形文件。如： bmp 、gif 、 pcx 、tif 、jpeg等文件。,一、MATLAB简介,具有若干功能强大的应用工具箱如：SIMULINK、COMM、DSP、 SIGNAL等工具箱 使用方便，具有很好的扩张功能1. 使用MATLAB语言编写的程序可以直接运行，无需编译。2. 可以M文件转变为独立于平台的EXE可执行文件。3. MATLAB的应用接口程序API是MATLAB提供的十分重要的组件 ，由 一系列接口指令组成 。用户就可在FORTRAN或C中 ， 把MATLAB当作计算引擎使用 具有很好的帮助功能1. 提供十分详细的帮助文件（PDF 、HTML
8、 、demo文件）。2. 联机查询指令：help 指令（例：help elfun，help exp）， lookfor 关键词（例： lookfor fourier ）。,一、MATLAB简介,MATLAB的主要特点,例 1 绘制二维曲线,画出衰减振荡曲线 。 t的取值范围是 。,t=0:pi/50:4*pi; y=exp(-t/3).*sin(3*t); plot(t,y) grid,例 2 绘制三维曲面,画出 所表示的三维曲面。x，y的取值范围是-8,8,clear; x=-8:0.5:8; y=x; X=ones(size(y)*x; Y=y*ones(size(x); R=sqrt(X
9、.2+Y.2)+eps; Z=sin(R)./R; surf(X,Y,Z); colormap(cool) xlabel(x),ylabel(y),zlabel(z),例 3 解线性方程组,3x1+x2 - x3 = 3.6x1+2x2+ 4x3 = 2.1 Axb x=Ab-x1+4x2+5x3 = -1.4 x=inv(A)*bA=3 1 -1;1 2 4;-1 4 5; b=3.6;2.1;-1.4;x =1.4818-0.46060.3848,例 4 图像处理,Wavelet Toolbox提供的图像压缩算法可以显著地减少数据量。美国联邦调查局(FBI)使用小波技术压缩和存储指纹数据。
10、压缩过的图像（右）与原来的图像（左）几乎完全相同，而数据量大大减小。,对GOES-8卫星显示的1997年4月1日暴风雪过后美国东北部雪覆盖的地区的图像做增强处理,例 5 图像处理,修复一个模糊的图片是使用Optimization Toolbox中的带约束最小二乘法解决大型稀疏问题的一个例子。上面是原来模糊的图片，下面是修复之后的图片。,例6 图像融合,例7 PCM编解码系统,MATLAB计算与图形,基本曲线,MATLAB计算与图形,统计类,MATLAB计算与图形,数值解,MATLAB计算与图形,GUI绘图,MATLAB计算：各领域,MATLAB计算：各领域,MATLAB计算可视化：场分析,To
11、p-Down Design Flow,系统说明,建立系统级模型、仿真,设计输入,逻辑综合,系统划分,前仿真,布局布线,版图参数提取后仿真,数据输出GDS,System Level,Logical Level,Physical Level,提出系统的总体指标，包括关键功能、子系统划分、各子系统功能特点以及重要的端口特性、功率消耗、封装要求以及主要的接口要求；,二、VLSI设计流程和EDA工具,功能：完成器件的功能描述 常用工具：对自顶而下的（Top-Down）设计方法，往往首先使用VHDL或是Verilog HDL来完成器件的功能描述，代表性的语言输入工具有Summit公司的Visual HDL
12、和Mentor公司的Renior等。对自下而上的设计，一般从晶体管或基本门的图形输入开始，代表性工具有Cadence公司的Composer和Viewlogic公司的Viewdraw等。,二、VLSI设计流程和EDA工具,设计输入,功能：采用HDL和逻辑综合工具产生网表，说明各逻辑单元的连接关系。基于不同的库，逻辑综合工具可以将设计思想转化成对应一定工艺手段的门级电路；将初级仿真中所没有考虑的门沿（gates delay）反标到生成的门级网表中,返回电路仿真阶段进行再仿真。最终仿真结果生成的网表称为物理网表。 常用工具Synopsys公司的Design CompilerCadence公司的 Bu
13、iltgates Envisia Ambit,二、VLSI设计流程和EDA工具,逻辑综合,数字电路仿真软件对于Verilog HDL网表仿真，Cadence公司的Verilog-XL是基于UNIX工作站最负盛名的仿真工具；而近年随PC工作站的出现，Viewlogic的VCS和Mentor公司的Modelsim因其易用性而迅速崛起并成为基于廉价PC工作站的数字仿真工具的后起之秀；对于VHDL网表仿真，Cadence提供Leafrog；Synopsys公司有VSS，而Mentor公司基于PC的Modelsim则愈来愈受到新手们的欢迎。 模拟电路仿真软件 PSPICE最早产生于Berkley大学，经
14、历数十年的发展，随晶体管线宽的不断缩小，PSPICE也引入了更多的参数和更复杂的晶体管模型，使的他在亚微米和深亚微米工艺的今天依旧是模拟电路仿真的主要工具。Avanti是IC设计自动化软件的“英雄少年”，它的HSPICE因其在亚微米和深亚微米工艺中的出色表现而在近年得到了广泛的应用。Cadence的Spectre也是模拟仿真软件，但应用远不及PSPICE和HSPICE广泛。,二、VLSI设计流程和EDA工具,电路仿真,布局：决定模块中单元的位置 布线：单元与模块之间连线 版图输入工具： Cadence的Virtuoso 布局、布线工具：Cadence的Design Framework、Sili
15、con Ensemble ，Envisia Place & Route DSM是常用的基于UNIX工作站的全定制设计的布局布线软件Cadence SOC_Encounter,二、VLSI设计流程和EDA工具,版图绘制和自动布局布线,物理验证： DRC（Design Rule Check ）：确保版图满足特定工艺的设计规则 ERC（Electrical Rule Check ）：检查power，ground的short，floating device，floating net等制定的电气特性 LVS（Layout vs. Schematic）：将layout与schematic最比较，检查电路的
16、连接，MOS的length和width值是否匹配 寄生参数提取LPE（Layout Parameter Extraction ）：确定互连的电阻和电容 ASIC设计中最有名、功能最强大的是Cadence的Dracula，可以一次完成版图从DRC，ERC、LVS到LPE的工序；Diva作为其相对较弱的软件多提供给教学用途；AVANTI的Star-RC也是用于物理验证的强力工具，而Hercules则是其LVS的排头兵。,二、VLSI设计流程和EDA工具,物理验证和版图参数提取,三、系统级设计与仿真,系统级设计的任务1. 提出系统的总体指标，包括关键功能、子系统划分、各子系统功能特点以及重要的端口特性、功率消耗、封装要求以及主要的接口要求2. 选择制造厂商、工艺形式、设计手段；3. 考虑测试方法。 系统级设计需要开发系统级模型及建立模型库，这些行为模型与实现工艺无关，仅用于系统级模拟。 对于EDA过程来说，系统设计的基本内容包括分析方案中的关键技术，初步确定设计方案，落实各环节具体电路/模块的实现方法，计算出它们的参数和输入-输出关系等。对于有技术难点的问题常常需要经过系统模型的建立、理论分析、算法设计、计算机仿真分析、芯片设计、关键单元的典型实验、电路设计、实验样机的制作与调试等多个环节。,
