数字系统设计及VHDL实践第1章.ppt

第一章 绪论,主 讲 人：徐向民 单 位：电子与信息学院,数字系统设计及VHDL实践,本章目录,1.1 数字系统概念 1.2 电子设计发展趋势 1.3 EDA技术介绍 1.4 EDA应用与发展趋势,1.1 数字系统概念,1.基本概念,数字系统是指对数字信息进行储存、传输、处理的电子系统，它的输入和输出都是数字量。在结构上分为数据处理单元和控制单元。,存储部件,受控器,控制器,输入 接口,输出 接口,数据处理单元,1.1 数字系统概念,数字系统主要处理离散信号：,数字（例如：掌上电脑）,文字（例如：文字处理器）,图像（例如：数码相机）,常用数字系统：,手机、数码相机、MP3播放器、工业过程控制器等。,一些使用模拟信号的系统：,模拟时钟、胶卷相机、计算尺等。,数字系统在处理模拟信号之前，要对模拟信号进行量化（数字化）处理。,1.1 数字系统概念,1.1 数字系统概念,一个数字系统的例子：,通用数字计算机,记忆系统,中心处理单元,指令,数据,地址,时钟,存储,数字逻辑/暂存,-设计目标是实现最优化的表现“优化运行速度”。,1.1 数字系统概念,便携式计算机,-设计目标是实现最低的价格“节省成本，降低价格”。,-低廉的价格以运行速度为代价。,1.1 数字系统概念,数字钟表,-设计目标是实现耗电最低一块电池可以使其运行几年。,-低能耗以使其运行速度更慢，价格更高。,1.1 数字系统概念,计算机系统,专用计算机,通用计算机,应用程序,应用程序,算法式,编译程序,ISA,硬件、软件 协同设计,二进制应用程序,数据流控制,数字逻辑设计,电路设计,布局，模板,半导体，封套,操作系统,固件,内存,CPU,IO,硬盘,分层结构,数据通路,控制器,数字逻辑设计,电路设计,布局，模板,半导体，封套,1.1 数字系统概念,数字系统硬件的构建模块：,数字系统,电路版,芯片,逻辑门电路,晶体管,数字系统设计的特点,1、设计方法规范,如ASM图法、MDS图法,2、逻辑设计为主，电参数设计为辅,3、传输通道多，状态量少,4、受器件影响较大,数字系统设计的步骤,1、分析确定系统功能,在仔细分析设计课题的基础上，明确系统的任务、 技术性能、应用环境、特殊的要求等。尽可能对 应用现场进行实地考察。经过深入分析比较，选 择相对更好的算法来保证实现所要求的功能，并 要兼顾工作量和成本。,数字系统设计的步骤,2、确定系统设计方案,确定选用一般数字电路还是用微控制器来实现。 对于功能简单的可以采用SSI、MSI、LSI构成， 即纯硬件电路。 对于功能较复杂的，可以用MCU。,数字系统设计的步骤,3、系统设计框图,往往和方案的选择交叉进行。,4、逻辑功能划分,数字系统设计的步骤,5、信息处理电路的设计,6、控制电路的设计,灵活选择常用的控制电路。,数字系统设计的步骤,7、系统电路的综合与优化,8、系统性能测试,9、撰写技术文件,1.1 数字系统概念,2.设计方法,传统的数字系统设计是自底向上的。,现代数字系统设计可以直接面向用户要求，根据系统的行为和功能要求，自顶向下地逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证。,系统要求,行为设计,结构设计,版图设计,电路设计,逻辑设计,1.2 电子设计发展趋势,第一代：60年代末：版图编辑和检查。,第二代：80年代初：原理图输入、逻辑模拟向下。,第三代：从RTL级输入向下，包括行为仿真、行为综合、逻辑综合等。,电子产品发展迅速，向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向前进，同时价格也呈下降趋势。以集成电路设计计算机辅助设计系统ICCAD系统为例。,ICCAD系统的发展：,1.3 EDA技术介绍,1.基本特征,用软件的方式设计硬件 用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成 自顶向下的设计方法 设计过程中可用有关软件各种仿真 系统可现场编程，在线升级 整个系统可集成在一个芯片上，体积小、功耗低、可靠性高,从EDA技术的基本特征可看出其较传统技术的优越性。,1.3 EDA技术介绍,2.主要内容,大规模可编程逻辑器件,现场可编程逻辑器件（Field Programmable Logic Device, FPLD）,现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）,复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device,CPLD）,其中以FPGA、CPLD应用最为广泛,1.3 EDA技术介绍,FPGA与CPLD比较,1.3 EDA技术介绍,大的PLD生产厂商, 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,1.3 EDA技术介绍,两大生产厂商产品,Altera：,FPGA:Cyclone、CycloneII Stratix、StratixII等 CPLD:MAX7000、MAX3000系列(EEPROM工艺),其中，Cylone、CyloneII系列是侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求。 Stratix、StratixII则侧重于高性能应用，容量大，满足各类高端应用。,Xilinx：,FPGA:Spartan系列 Virtex系列 CPLD:XC9500系列（Flash工艺）,其中，Spartan系列主要应用于低成本设计。 Virtex系列主要应用于高端设计。,1.3 EDA技术介绍,硬件描述语言,硬件描述语言（Hardware Description Language,HDL）可以在三个层次上进行电路描述，由高到低为系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级。 常用的HDL有VHDL、Verilog和AHDL。,VHDL适用于行为级和寄存器传输级。,Verilog和AHDL适用于寄存器级和门电路级。,1.3 EDA技术介绍,软件开发工具,Maxplus II、Quartus II 等。书P5 表11,针对Altera的芯片，我们主要以Quartus II 和Maxplus II为开发工具,3.EDA设计流程,1.3 EDA技术介绍,系统 总体要求,行为级描述,行为级仿真,RTL级描述,RTL级仿真,逻辑 综合优化,门级 时序仿真,定时检查,输出门级 网表,布局布线,设计完成,目的是在系统设计的初始阶段，通过对行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。,将行为方式描述的HDL程序，采用RTL方式描述，导出系统的逻辑表达式，再用仿真工具对RTL方式程序仿真。,将RTL方式描述的程序转换成用基本逻辑元件表示的文件,1.4 EDA应用与发展趋势,从应用领域看，EDA已渗透到各行各业，包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等。,在ASIC和PLD芯片方面，向超高速、高密度、低功耗、低电压方向发展。在设计方面，继续向SOPC方向迈进。,