电子系统设计幻灯片

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1、第一章 概论 中国矿业大学信电学院 曹丙花 20149,课 程 宗 旨,建立现代数字电子系统设计的概念； 更新传统数字电路的设计观念，建立用PLD器件取代传统TTL器件设计数字电路与系统的思想 更新数字系统设计手段，学会使用硬件描述语言（Hardware Description Language）代替传统的数字电路设计方法（画电路图）来设计数字系统。,1.1 什么是数字系统？,数字电子系统：简称为数字系统。是可以完成某种（或多种）特定的、功能不单一的数字电路功能的系统。 数字器件：即数字IC芯片。是构成数字系统的基本部件，是数字系统的“元素”或“细胞”。 一个数字电子设备（产品），小到一个数字

2、电子钟，大到一台数控车床或超级计算机，都是一个“数字电子系统”。,数字系统与数字器件的主要区别,数字系统一般应包含某种控制器及受控单元，并且功能不那么单一。 例如： 一个大规模集成的数字存储器，它一般只被认为是一个数字器件而非一个数字系统。 而一个数字电子钟，虽然该数字钟的芯片集成度并不一定很高，但它却可被认为是一个数字系统。因为数字钟内不仅包含有受控单元（如计数器），也有某种控制器（如分频控制电路、校时、预置电路等）。并不仅仅只看系统是否相当复杂及芯片集成度的高低。 计算机中使用的内存条,一个声音处理系统,应用中的数字系统芯片,数字器件,数字器件是构成数字系统的“元素”或“细胞”； 标准TT

3、L或CMOS数字集成电路（如各种门电路、计数器、寄存器、译码器等），是数字器件。最简单的逻辑器件是与、或、非门（74LS00，74LS04等），在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。 近来人们已经能够在单一半导体芯片上设计、制造百万个以上的晶体管，这种高集成度的IC芯片已经开始具备以往一个数字系统的全部特性与功能，这就产生了现代所谓的“单片系统”（SOC，即System On a Chip）和SOPC 。此时数字器件已发展成为数字系统 由于单片系统集成度高、功耗低、功能强大，工作可靠，正受到人们越来越大的重视,今后必将会有光明的发展前景。,数字器件,焊在电路板上的数字器件,给单片机作接口控

4、制的数字芯片,SOPC系统,Sopc系统,可编程逻辑器件,可编程逻辑器件（PLDProgrammable Logic Device）是一种通用的电子器件，其功能不是固定不变的，而是可根据用户的需要而进行改变，即：可通过编程设计的方法来定义器件的逻辑功能。这颇类似于单片机的特性。 但是PLD与MCU有基本的不同： MCU是通过软件（指令）来实现预期的功能； 而PLD是通过内部硬件布线、以硬件来实现预期的功能。 所以PLD完成逻辑功能的工作速度比MCU要快得多。,1.2 构建数字系统的途径,1.标准化的中、小规模数字集成电路。 特点： 简单易用、价格低廉，应用广泛，集成度较低，功能受限。一般需要用

5、较多的芯片才能构建一个数字系统,并需要进行大量的芯片间连线，致使系统构成复杂、功耗高、可靠性偏低。 标准化的中、小规模数字集成电路是设计数字系统的基本方法之一。,构建数字系统的途径使用CPU、MCU及DSP,2.基于LSI(大规模集成Large Scale Integration)或VLSI(超大规模集成技术（Very Large Scale Integration）的微处理器。 如各种通用或嵌入式CPU、MCU（微控制器）及数字信号处理器DSP。,使用CPU、MCU及DSP的系统,使用CPU、MCU及DSP构建数字系统,特点： CPU、MCU、DSP依靠执行指令（软件）可以方便的实现几乎任意

6、的数字逻辑功能，其应用灵活性极强。 但这些微处理器一般需要一定的数字接口器件相配合才能有效工作；依靠执行软件来完成数字逻辑功能的工作方法导致其工作速度相对较慢，故在一些需要高速、实时工作的应用场合它们的应用就受到一定的限制。,3.基于LSI或VLSI的专用集成电路ASIC,ASIC(即Application Specific IC)是一种为完成某种特定的电路功能而专门设计、生产的IC器件。 特点： 需要专门设计/定制，大规模集成。性能强、功耗低、工作可靠性高、保密性高、大批量应用时成本也较低； 但其功能专一且不能改变，不适宜在电子产品的研发阶段予以使用。 ASIC分类： 按功能的不同可分为：数

7、字ASIC、模拟ASIC及混合型ASIC。 综合言之，使用ASIC进行数字系统设计需要较高的开发费用、设计与制造周期也较长。所以ASIC只适合在大批量工业应用的场合中使用。,4.基于LSI/VLSI的可编程逻辑器件PLD(Programmab1e Logic Dvice)。,PLD是一种从二十世纪70年代开始发展起来的一种完全由用户自行定义芯片逻辑功能的“通用型”数字器件。 它可以看作是半定制ASIC的一个重要分支,也是目前数字电子技术中发展最为迅速的一个领域。 芯片厂商将其作为一种通用数字器件进行设计、生产； 而用户则可以在相应的EDA开发系统的支持下自行对PLD进行功能定义与设计。 经过用

8、户定义与设计的PLD器件就立即变成了具有用户所要求的特定功能的专用集成电路ASIC。如果设计有误，用户只需修改错误，重新对芯片进行定义配置即可。 在这个意义上说，通用型的数字器件PLD可以归之为一种半定制的ASIC。显然这种具有即改即用特性的PLD器件的出现，使现代数字系统的设计与开发进入到了一种崭新的阶段。,PLD的特点：,由用户自定义器件的功能、大规模集成。设计周期短、设计风险低、应用灵活、系统功能强大、功耗低。 用PLD来进行数字系统的开发与设计已成为现代电子设计的一种方向与潮流。,百万门级的PLD芯片,1.3 可编程逻辑器件与EDA技术,其实，最早的可编程逻辑器件就是 可写入存贮器(P

9、ROM)，包括（三种） 可编程只读存贮器(PROM)、 紫外线可擦除的只读存贮器(EPROM) 电可擦除只读存贮器(EEPROM) 。 由于结构的限制，这类芯片虽然能够完成一些简单的组合逻辑电路功能，但它们一般也只作为存贮器来使用。,通用可编程逻辑器件,到了20世纪70年代人们研制出了可编程逻辑器件，包括： PLA (Programmab1e Logic Array即可编程逻辑阵列) PAL (Programmab1e Array Logic即可编程阵列逻辑) GAL(General Array Logic即通用阵列逻辑)。 PAL/PLA/GAL器件的集成度一般都不超过1000门，故被称为简

10、单可编程逻辑器件SPLD(Simple Programmab1e Logic Device)。 PLA因电路复杂、编程设计较困难，发展缓慢，很少应用。 GAL是在PAL的基础上改进设计后问世，至今仍得到广泛应用。 这些早期的SPLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性良好的数字逻辑功能，是取代74系列逻辑器件的通用数字芯片。但其相对简单的电路结构也使它们只适合完成不是太复杂的数字逻辑功能。,传统的数字电路设计,使用中、小规模器件设计电路（74、54系列与CD4000、CD4500系列）进行逻辑电路设计。 各种门电路（74LS02/04/06） 触发器（74LS74） 编码器（74LS148）

11、译码器（74LS154） 比较器（74LS85） 计数器（74LS193） 移位寄存器（74LS194） ,传统的数字电路设计方法,逻辑（布尔）代数是数字电路理论基础 数字电路设计的基本方法 组合电路设计问题逻辑关系真值表化简(卡诺图)逻辑图 时序电路设计 列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图,设计方法的局限,卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。 采用“搭积木”的方法的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。 设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。,采用中小规模器件的局限,电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，可靠性

12、低应提高芯片的集成度 设计比较困难将手工设计方法提升为计算机辅助设计方法（使用EDA设计工具）。 电路存储、修改都麻烦使用EDA设计工具 PLD器件与设计技术的出现改变了这一切,PLD出现的背景,电路集成度不断提高 SSIMSILSIVLSI 计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用 设计方法的发展 自下而上自上而下 用户需要设计自己需要的专用电路与器件 专用集成电路（ASICApplication Specific Integrated Circuits）开发周期长，投入大，风险大 可编程器件(PLD)：开发周期短，投入小，风险小,PLD器件的优点,PLD集成度高，可以替代多至几千块通用IC

13、芯片 极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性 CAD技术的发展提供了完善先进的EDA开发工具 提供语言、图形、波形等设计方法，灵活、方便 通过仿真工具来验证设计的正确性，提高设计的成功率。 可以反复地擦除、编程配置，方便进行设计修改和升级。 灵活地定义管脚功能，简化应用 减轻设计工作量，缩短系统开发时间 保密性好,一个PLD芯片：GAL16V8,复杂可编程逻辑器件,20世纪80年代中期美国 Altera公司和Xilinx公司分别推出了类似于PAL结构的扩展型复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和与标准门阵列结构类似的现场可编程门阵列F

14、PGA(Field Programmable Gate Array)。 CPLD/FPGA的集成度可做得很大（可达几万到几百万门/片），用它可以替代几十至几千块普通的标准数字集成芯片。用这样的CPLD/FPGA实际上就能实现一个数字系统或子系统。这种高功能、高集成度的器件目前在世界范围都受到电子设计人员的广泛关注和普遍欢迎。 与专用ASIC芯片相比，CPLD/FPGA具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此已广泛应用于数字系统与数字产品的设计与生产中。几乎所有应用门阵列、ASIC、SPLD和中小规模通用数字集成电路的场合都可应用

15、CPLD或FPGA器件。 由于Altera公司的CPLD器件系列和Xilinx公司的FPGA器件系列开发较早，种类较多，功能最强，因此其知名度也最高，它们占用了较大的PLD市场分额。,一个PLD芯片：EP1K100,集成度10万门；内含约100个晶体管 管脚数目：208个 电源： 3.3V（I/O） 2.5V（内核） 速度 250MHz 内部资源 4992个逻辑单元 10万个逻辑门 49152 bit的RAM,PLD的发展趋势,向高集成度、高速度方向进一步发展 最高集成度已达到600万门 向SOPC方向发展 可设计片内CPU、DSP及接口控制电路，构成各种嵌入式系统。 向低电压和低功耗方向发展

16、，5V3.3V2.5V1.8V 1.5V或更低 内嵌多种功能模块 RAM，ROM，FIFO，DSP，CPU 向数、模混合可编程方向发展 （内含ADC、DAC、PWM、PLL等）,SOPC设计,世界上主要的PLD生产厂家, 最大的PLD供应商之一 FPGA的发明者，最大的PLD供应商之一 ISP技术的发明者 提供军品及宇航级产品,Altera公司,世界最大的可编程逻辑器件供应商之一。主要PLD产品有：MAX3000/7000/9000、FELX 6K/8K/10K、 ACEX1K、APEX20K、Cyclone、Stratics等系列。 其中Cyclone、Stratics系列器件是SOPC器件。 开发工具MaxplusII/QuartusII是一种相当成功的CPLD开发平台。在我国高校中使用面很大。对AHDL设计有很好的支持。 但MaxplusII/QuartusII