eda幻灯片—数字系统设计

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1、1,数字系统设计,2,第一章：数字系统设计方法,3,1.1数字系统范畴,消费类电子产品 计算机 通信 汽车电子 工业产品 军用产品,4,数字系统设计研究的内容,系统方案设计 硬件设计 前段信号处理 逻辑控制单元 输出回路设计 软件设计 系统调试 产品化设计 产品认证,5,数字系统技术现状,单片机技术 DSP技术 Digital Signal Processor 嵌入式系统 ASIC技术 Application Specific Integration Circuits 可编程ASIC技术 CPLD/FPGA,6,几个基本概念,EDA Electronic Design Automation 开

2、发平台 Development Kit 仿真技术 Simulate Technical SOC 片上系统 System on Chip IP知识产权模块 Intellectual Property SMT Surfers Match Technology,7,单片机技术现状,RISC技术 Reduced Instruction Set Computer 外围接口 总线技术 I2C CAN BUS 低功耗小型化 嵌入式趋势,8,嵌入式系统的定义（E）,专用计算机系统(非PC智能电子设备) 以应用为中心 以计算机技术为基础 软件硬件可裁剪 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求 知

3、识集成系统（CSEA） 技术密集资金密集 高度分散不可垄断 面向应用不断创新,9,嵌入式系统的分类,按表现形式分： （硬件范畴） 芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） 系统级嵌入 按实时性要求分： （软件范畴） 非实时系统（PDA） 软实时系统（消费类产品） 硬实时系统（工业和军工系统）,10,嵌入式系统的基本要素,嵌入式处理器系统 嵌入式处理器 各种类型存储器 模拟电路及电源 接口控制器及接插件 嵌入式软件系统 实时操作系统（RTOS） 板级支持包（BSP） 设备驱动（Device Driver） 协议栈（Protocol Stack） 应用程序（Appli

4、cation）,11,嵌入式处理器,嵌入式处理器的发展趋势 经济性（成本） 微型化（封装、功耗） 智能化（功能、速度） 嵌入式处理器的分类和现状 微控制器（MCU） 微处理器（MPU） 数字信号处理器（DSP） 混合处理器和片上系统（SOC） 可编程片上系统（SOPC）,12,硬件设计工具（EDA工具）,系统级设计工具 Cadence的SPW System View 模拟电路系统仿真工具 Pspice EWB PCB设计工具 Protel PADs 的Power PCB & Tool Kit Mentor的Expedition & Tool Kit 可编程逻辑器件设计工具 Mentor FPG

5、A Advantage & ModelSim Xilinx Foundation ISE & Tool Kit 各种综合和仿真第三方工具,13,最新进展之：嵌入式Internet技术,定义：嵌入式Internet是近几年发展起来的一项新兴概念和技术，是指设备通过嵌入式模块而非PC系统直接接入Internet，以Internet为介质实现信息交互的过程，通常又称为非PC Internet接入。 应用： 智能家居（家电上网） 工业远程监控与数据采集 Internet Reconfigurable Logic（IRL）及其相关应用 等等,14,图：嵌入式Internet应用,最新进展之：可编程片上系

6、统（SOPC）,SOPC：可编程逻辑器件在嵌入式应用中的完美体现 SOPC的技术基础 超大规模可编程逻辑器件及其开发工具的成熟 FPGA密度提高 FPGA成本足以与ASIC抗衡 FPGA设计、综合、仿真、测试工具性能飞速提高 微处理器核以IP的形式嵌入到FPGA中 IP Core开发理念的发展与深入人心 信号处理算法、软件算法模块、控制逻辑等均可以IP Core形式体现 目前已经成熟的SOPC开发平台： Xilinx SpartanII FPGA和MicroBlaze软处理器IP Core Xilinx VirtexII Pro FPGA和PowerPC硬处理器IP Core Altera 等

7、其它FPGA和处理器IP Core,16,图：SOPC 示例,goReader Internet eBook,Samsung AnyWeb Internet Screen Phone,eRemote Intelligent Home Controller,Tektronix TDS7000 Digital Oscilloscopes,Nixvue Digital Album Digital Photo Album,一些典型的嵌入式系统应用实例,返回,18,数字系统设计与仿真的层次,系统设计的层次算法级-电路板级-芯片级 设计与仿真方法 EDA方法 设计与仿真工具 SystemView Matl

8、ab OrCAD Protel Maxplus Foundation 硬件仿真 仿真板 用户版,19,1.2数系统字设计的一般步骤,1.2.1引例 1.2.2数字系统设计的基本步骤 1.系统逻辑功能的确定 (1)待设计系统信息、特征等。 (2)控制信号的作用、格式及控制信号与输入、输出数据之间的关系。 (3)数据处理或控制过程的技术指标。,20,2.系统的描述,2.系统的描述 3.算法的设计:把系统的复杂运算分解成一组有序进行的子运算。 4.电路结构选择：寻求一个可以实现上述算法的电路结构。,21,设计与仿真的层次,22,可编程ASIC技术,23,可编程ASIC技术,可编程ASIC技术概论 A

9、ltera可编程ASIC器件 Xilinx可编程ASIC器件,24,电子设计自动化Electronic Desige Automation（EDA）,Viewlogic VHDL Summit VHDL Synopsys VHDL Cadence Verilog HDL OrCAD Data I/O Abel COMPASS,Xilinx Foundation Altera MAX+PlusII Lattice PDS+ AMD Microsim Pilkington FPAA FPMA,25,集成电路的发展是从小规模中规模大规模超大规模， 发展的方向是两方面：通用集成电路，专用集成电路 定制

10、 半定制1.标准单元 2.门阵列 3.可编程逻辑器件 编程方式:1.一次编程 熔丝开关, 反熔丝开关 2.多次编程 浮栅编程 3.无限次编程 基于SRAM编程元件 1.静态存储器 2.反熔丝开关 3.浮栅编程技术:浮栅,叠栅,电可改写,闪速存储单元,26,FPGA与PAL的比较,1.FPGA有更多的I/O管脚，多达几百条，不会出现PAL逻辑没有使用完之前，I/O已经用完; 2.有更多的触发器,可以构造许多的寄存器和计数器; 3.可以构成系统级特性,如数据总线等; 4.可以集成多个PAL以上; 5.减少印刷板面积,降低系统成本; 6.降低功耗; 7.系统有较少的元件在印刷板上,可靠性增加; 8.

11、可编程和可再利用性,PAL只能一次编程,FPGA和CPLD多次编程; 9.加密能力增加。,27,CPLD和FPGA与TTL电路的比较,1.CPLD和FPGA相当于20到500以上个TTL电路集成到一个器件内,有较高的密度; 2.设计者以自己的设计方法设计所需的逻辑系统,所以增加了灵活性; 3.集成之后,可以显著改善系统的可靠性; 4.可以方便地通过计算机软件平台,对所设计的系统进行修改和仿真,不用对印刷板进行修改; 5.系统集成到可编程逻辑器件以后,可减少印刷板的层次和缩小印刷板的面积。,28,CPLD和FPGA与定制比较,1.前者较后者有较低的开发和设计成本,可以在办公室的PC机上进行设计,

12、配置到芯片; 2.前者是可编程的,风险能降低到最小,后者每次的修改设计,用于定制掩模的费用多达几万到几十万人民币; 3.前者可再编程的时间是很短的,省去了定制掩模范投片制造带来的时间延误; 4.前者可再编程特性,可以做到出厂前器件100%测试,保证了器件的质量; 5.对大量的产品,为降低成本,前者很容易转到固定连线的门阵列。,29,30,主要EDA设计工具和网址,31,掌握要点,数字系统设计的内容是什么？ 电子系统的主要设计方法有哪些？ 什么是EDA技术？ 电子系统设计与仿真的几个层次是什么？ 你知道哪些主流设计工具？ 怎样在不同系统选择不同的设计方案？,32,练习一,上网查找EDA相关网站及

13、相关设计、仿真工具 重点查找网站 ,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,100,101,102,103,104,105,106,107,108,109,110,111,112,113,114,115,116,117,118,

14、119,120,121,122,123,124,125,126,127,128,129,130,131,132,133,134,135,136,137,138,139,140,可编程ASIC的设计方法,原理图方法 HDL(VHDL、ABEL、Verilog ） 状态机 波形图 功能模块设计 IP调用,141,142,传统的电路系统设计方法的步骤从状态图的简化，写出最简逻辑表达式，到绘出电路原理图。这在不是较大的电路系统中，工程师可以用一定的时间，了解电路的原理。若电路系统非常庞大，工程师就不容易在电路原理图上了解电路的原理，而且对绘图者也是一项非常烦琐的工作。因此众多软件公司开发研制了具有自己特色的电路硬件描述语言（Hardware Description Language,HDL），这些硬件描述语言必然有很大的差异，工程师一旦选用某种硬件描述语言作为输入工具，就被束缚在这个硬件设计环境之中，不能在众多的软件工具中选择一个最佳组合作为自己的最优设计环境。因此，硬件设计工程师需要一种强大的、标准化的硬件描述语言，作为可相互交流的设计环境。,143,美国国防部在80年代初提出了VHSIC（Very High Speed Integrated Circuit）计划，