最新Verilog課件第八講同步數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第八講同步數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)字系統(tǒng)的分層和分域描述

現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法數(shù)字系統(tǒng)RTL級設(shè)計(jì)方法

本講要點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)要求第八講同步數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)字系統(tǒng)的分層和分域描述數(shù)字系統(tǒng)的描述

數(shù)字系統(tǒng)常采用分層描述的方法，實(shí)踐證明這是行之有效的，因?yàn)椋悍謱哟畏从沉耸挛锏膬?nèi)在聯(lián)系，可使大化小，復(fù)雜變簡單。分層次可將一些細(xì)節(jié)隱藏起來，減少每次處理事物的數(shù)量，便于控制事物復(fù)雜度。分層次可以實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)。數(shù)字系統(tǒng)的描述數(shù)字系統(tǒng)常采用分層描述的方法，實(shí)踐證明這是數(shù)字系統(tǒng)描述可按抽象層次不同劃分為行為域、結(jié)構(gòu)域和物理域描述：結(jié)構(gòu)域行為域物理域體系結(jié)構(gòu)框圖模塊框圖網(wǎng)表邏輯門系統(tǒng)規(guī)格算法行為RTL布爾方程傳遞函數(shù)晶體管版圖單元宏單元模塊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)描述可按抽象層次不同劃分為行為域、結(jié)構(gòu)域和物理域描述現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)域行為域物理域體系結(jié)構(gòu)框圖模塊框圖網(wǎng)表邏輯門系統(tǒng)規(guī)格算法行為RTL布爾方程傳遞函數(shù)晶體管系統(tǒng)級人工設(shè)計(jì)RTL綜合行為綜合模塊級人工設(shè)計(jì)單元（LE）單元映射、布局、布線現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)域行為域物理域體系結(jié)模塊網(wǎng)表邏輯門系系統(tǒng)規(guī)格（specification）系統(tǒng)規(guī)格是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。包括：

數(shù)字系統(tǒng)功能的描述。常用功能框圖、功能說明、時(shí)序圖、C語言及systemC等描述。I/O引腳的描述，如功能、排列、驅(qū)動(dòng)能力、電平等。定時(shí)的描述，如引腳建立保持時(shí)間、時(shí)序要求、時(shí)鐘頻率等。其它物理參數(shù)，如功耗、極限參數(shù)、封裝等。系統(tǒng)規(guī)格（specification）系統(tǒng)規(guī)格是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)）按系統(tǒng)規(guī)格的要求，人工設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，劃分系統(tǒng)功能塊，并給出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范:

功能塊、輸入輸出接口定義及時(shí)序要求。時(shí)鐘域劃分，跨時(shí)鐘域異步電路劃分。系統(tǒng)和功能塊的復(fù)位處理方法。系統(tǒng)和功能塊的測試方法。對復(fù)雜設(shè)計(jì)需建立系統(tǒng)的行為模型。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)）按系統(tǒng)規(guī)格的要求，人工設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能塊的算法模型一般功能塊總是完成一個(gè)確定的任務(wù)，可以采用算法模型描述。算法模型描述了模塊硬件的行為，但不關(guān)心硬件具體實(shí)現(xiàn)的方法。算法模型是事件驅(qū)動(dòng)的，不含嚴(yán)格的時(shí)鐘信息，類似于軟件的程序，可用C、HDL語言描述?，F(xiàn)在也較多采用MATLAB，systemC等語言描述。功能塊的算法模型一般功能塊總是完成一個(gè)確定的任務(wù)，可以采用模塊體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由算法模型設(shè)計(jì)出模塊及模塊的體系結(jié)構(gòu)，一般是將模塊劃分出兩個(gè)獨(dú)立的部分，一是完成數(shù)據(jù)處理操作的數(shù)字電路部分，稱數(shù)據(jù)路徑；其二是決定不同操作執(zhí)行順序的控制電路部分，稱控制邏輯?？刂七壿嫈?shù)據(jù)路徑狀態(tài)反饋控制信號輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)控制輸入模塊體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由算法模型設(shè)計(jì)出模塊及模塊的體系結(jié)RTL級設(shè)計(jì)RTL（RegisterTransferLevel）級設(shè)計(jì)是模塊設(shè)計(jì)的主要工作。模塊的功能可定義為一組寄存器及對寄存器的操作，對寄存器的信號進(jìn)行傳輸和處理稱為寄存器傳輸操作。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)是RTL級設(shè)計(jì)需滿足三個(gè)條件：1)

系統(tǒng)中有定義的一組寄存器。如R1、R2。2)

能對寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。如R1<-R1＋R2。3)

系統(tǒng)中有信號控制操作的時(shí)序。如if(T1==1)R1<-R2；RTL級設(shè)計(jì)RTL（RegisterTransferRTL級設(shè)計(jì)一般常用的寄存器操作有：

將數(shù)據(jù)由一個(gè)寄存器傳輸?shù)搅硪粋€(gè)寄存器的傳輸操作。對寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)、邏輯操作。對寄存器中數(shù)據(jù)進(jìn)行移位操作。對寄存器進(jìn)行復(fù)位、置位操作。R1R3R2＋D3D2D1D00D3D2D1右移RTL級設(shè)計(jì)一般常用的寄存器操作有：

R1R3R2＋D3D門級網(wǎng)表與物理實(shí)現(xiàn)由RTL級設(shè)計(jì)，通過綜合工具，可綜合出門級網(wǎng)表。后續(xù)的布局布線設(shè)計(jì)工作一般可在設(shè)計(jì)人員指導(dǎo)下由EDA工具完成。門級網(wǎng)表與物理實(shí)現(xiàn)由RTL級設(shè)計(jì)，通過綜合工具，可綜合出門級

數(shù)字系統(tǒng)RTL級設(shè)計(jì)方法

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型：

一般數(shù)字系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，數(shù)據(jù)路徑和控制邏輯。

控制邏輯數(shù)據(jù)路徑狀態(tài)反饋控制信號輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)控制輸入數(shù)字系統(tǒng)RTL級設(shè)計(jì)方法數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型：一般數(shù)據(jù)路徑

數(shù)據(jù)路徑是輸入數(shù)據(jù)的處理單元，一般完成數(shù)據(jù)的算數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和移位等操作，主要由加法器、邏輯運(yùn)算單元、譯碼器、多路選擇器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器和數(shù)據(jù)寄存器等器件構(gòu)成。數(shù)據(jù)路徑數(shù)據(jù)路徑是輸入數(shù)據(jù)的處理單元，一般完成數(shù)控制邏輯

控制邏輯：給數(shù)據(jù)路徑提供一系列控制信號，并由控制輸入和數(shù)據(jù)路徑的狀態(tài)反饋決定控制信號的產(chǎn)生?？刂七壿嬛饕捎|發(fā)器和邏輯門組成。數(shù)字系統(tǒng)的控制邏輯和數(shù)據(jù)路徑目前一般使用RTL級的硬件算法確定。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最有挑戰(zhàn)性和最富有創(chuàng)造性的工作是提出硬件算法。

控制邏輯控制邏輯：給數(shù)據(jù)路徑提供一系列控制信號，并由算法流程圖算法流程圖是從程序流程圖發(fā)展出來的一種數(shù)字系統(tǒng)的功能描述方法。它由啟動(dòng)框、結(jié)束框、工作框、判決框、條件框和有向線組成，且各框由事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)工作，與程序流程圖不同。左圖所示算法流程圖描述了一個(gè)計(jì)數(shù)器R，啟動(dòng)一次就從0計(jì)數(shù)到10后結(jié)束，并同步顯示。工作框?？騼?nèi)說明對應(yīng)電路的功能判決框?？騼?nèi)說明判決條件，并有2個(gè)以上輸出。條件框?？騼?nèi)說明對應(yīng)電路功能，并一定與判決框一個(gè)分支相連。R<=0R=10?R顯示啟動(dòng)結(jié)束10R<=R+1算法流程圖算法流程圖是從程序流程圖發(fā)展出來的一種數(shù)字算法狀態(tài)機(jī)（ASM）算法流程圖可以方便地描述數(shù)字系統(tǒng)的主要功能，但不能描述同步時(shí)鐘控制下，信號間的嚴(yán)格時(shí)序關(guān)系。進(jìn)一步發(fā)展的可用于定義數(shù)字系統(tǒng)硬件電路的方法，稱為算法狀態(tài)機(jī)圖(algorithmicstatemachine)，簡稱ASM圖。ASM圖：與算法流程圖形式上相似，但有本質(zhì)區(qū)別。它主要由三部分組成：狀態(tài)框，判決框和條件框。算法流程圖與ASM圖主要區(qū)別在操作驅(qū)動(dòng)不同，算法流程圖是由事件驅(qū)動(dòng)的操作，而ASM圖的所有操作是由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的操作。算法狀態(tài)機(jī)（ASM）算法流程圖可以方便地描述數(shù)字系統(tǒng)的主要狀態(tài)框

狀態(tài)框描述了在某一個(gè)狀態(tài)下狀態(tài)機(jī)的操作和輸出。

寄存器操作或輸出

R<=0;START名稱編碼S1001例＝>名稱編碼本狀態(tài)操作DDD狀態(tài)轉(zhuǎn)移和次態(tài)輸出組合電路CLK輸入輸出100當(dāng)前狀態(tài)輸出組合電路輸出輸入狀態(tài)框定義的電路狀態(tài)框

狀態(tài)框描述了在某一個(gè)狀態(tài)下狀態(tài)機(jī)的操作和輸出。

寄判決框判決框又稱為條件分支框，用單入口雙出口的菱形框或單入口多出口的多邊形表示，如圖所示?？蛑袃?nèi)容是被檢驗(yàn)的判別變量和判別條件，其中的判別變量可以是狀態(tài)變量，也可以是外輸入變量；變量的個(gè)數(shù)可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)；變量的作用可以同等重要，可以有優(yōu)先級順序。判決框描述了當(dāng)前輸入和狀態(tài)變量對狀態(tài)轉(zhuǎn)移或輸出的影響，不同的條件給出相應(yīng)的轉(zhuǎn)移路徑。判決條件10判決條件判決框判決框又稱為條件分支框，用單入口雙出口的菱形框或條件框

條件框描述了在某一個(gè)狀態(tài)下狀態(tài)機(jī)的有條件操作和輸出。條件框的輸入一定是來自判決框的轉(zhuǎn)移路徑，條件框的操作是在給定狀態(tài)下，滿足一定條件后執(zhí)行的操作。寄存器操作或輸出

來自判決框的轉(zhuǎn)移路徑

E

R<=001條件框條件框描述了在某一個(gè)狀態(tài)下狀態(tài)機(jī)的有條件操作和ASM塊

ASM塊包括一個(gè)狀態(tài)框和連接到它輸出的所有判決框和條件框。每一個(gè)ASM塊描述了一個(gè)時(shí)鐘周期的系統(tǒng)狀態(tài)和操作。如圖，當(dāng)系統(tǒng)處于S1狀態(tài)時(shí)，在ASM塊內(nèi)的所有操作會(huì)在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行，同時(shí)系統(tǒng)從S1狀態(tài)將轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)（S2、S3或S4），具體轉(zhuǎn)移路徑由E、F值決定。

A<＝A＋1

E

R<=001F01S2S3S4S1001ASM塊ASM塊ASM塊包括一個(gè)狀態(tài)框和連接到它輸出的所ASM塊與狀態(tài)機(jī)關(guān)系DDD狀態(tài)轉(zhuǎn)移和次態(tài)輸出組合電路CLK輸入輸出100當(dāng)前狀態(tài)輸出組合電路輸出輸入狀態(tài)框定義的電路判決框和條件框定義的電路A<＝A＋1

E

R<=001F01S2S3S4S1001ASM塊次態(tài)輸出組合電路ASM塊與狀態(tài)機(jī)關(guān)系DDD狀態(tài)轉(zhuǎn)移和次態(tài)輸出組合電路CLK輸ASM的時(shí)序同步數(shù)字系統(tǒng)中所有寄存器的時(shí)序是由一個(gè)時(shí)鐘控制的。時(shí)鐘不僅加在數(shù)據(jù)路徑上，也加在控制邏輯（控制狀態(tài)機(jī)）上。當(dāng)CLK上升沿到來時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)向狀態(tài)S1，下列操作在同一個(gè)時(shí)鐘期間并行進(jìn)行：a）

A<＝A＋1b）

如果E＝1，則R<＝0c）

當(dāng)下一個(gè)CLK上升沿到來時(shí),當(dāng)前狀態(tài)S1轉(zhuǎn)向次態(tài)?，F(xiàn)態(tài)S1操作：A<＝A＋1；If（E＝1）thenR<＝0；CLK次態(tài)S2、S3或S4ASM的時(shí)序同步數(shù)字系統(tǒng)中所有寄存器的時(shí)序是由一個(gè)時(shí)鐘控制ASM例等效的ASM塊

表示組合邏輯。在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。與執(zhí)行順序無關(guān)。x1x2Z2Sn001S2011S3100S2110S3S狀態(tài)Z1＝1Z2＝1ASM例等效的ASM塊表示組合邏輯。在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成ASM例等效的判決框

ASM例等效的判決框ASM例錯(cuò)誤反饋信號的ASM塊

反饋路徑未通過狀態(tài)框。產(chǎn)生組合邏輯環(huán)。ASM例錯(cuò)誤反饋信號的ASM塊反饋路徑未通過狀態(tài)框。產(chǎn)生組ASM例功能等效的并行判決框和串行判決框。ASM例功能等效的并行判決框和串行判決框。ASM圖與狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換ASM圖與狀態(tài)圖是等效的，可以互相轉(zhuǎn)換。狀態(tài)框判決框條件框ASM圖與狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換ASM圖與狀態(tài)圖是等效的，可以互相轉(zhuǎn)換ASM流程圖與狀態(tài)圖的時(shí)序圖ASM流程圖與狀態(tài)圖的時(shí)序圖設(shè)計(jì)例模塊功能：設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)4bit無符號二進(jìn)制數(shù)相乘的硬件乘法器。設(shè)計(jì)要求：要求用一個(gè)4bit加法器串行相加實(shí)現(xiàn)，如圖模塊。

輸入輸出說明：Reset：復(fù)位Clk：時(shí)鐘St：啟動(dòng)信號Done：運(yùn)算結(jié)束信號Mul：乘數(shù)Muld：被乘數(shù)Product：運(yùn)算結(jié)果設(shè)計(jì)例模塊功能：設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)4bit無符號二進(jìn)制數(shù)相二進(jìn)制乘法原理（算法模型）二進(jìn)制乘法原理（算法模型）模塊算法流程圖

說明：St：操作啟動(dòng)信號。ACC[8:0]:累加器cnt:移位計(jì)數(shù)器SUM[4:0]:加法器和MULD:4bit被乘數(shù)MUL:4bit乘數(shù)結(jié)果放在ACC[7:0]中重點(diǎn)：算法流程圖要描述清楚數(shù)據(jù)路徑、操作數(shù)據(jù)和控制信號間的邏輯關(guān)系。開始St=1?ACC<=0,cnt<=0,ACC[3:0]<=MULSUM<=ACC[8:4]+{0,MULD}ACC[0]=1?ACC[8:4]<=SUMACC右移1位cnt＝3？YYNNNYcnt=cnt+1模塊算法流程圖說明：開始St=1?ACC<=0,c模塊體系結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)路徑控制邏輯4bit加法器9bit移位寄存器CLK：同步時(shí)鐘Load：數(shù)據(jù)加載信號Sh：ACC右移信號Ad：ACC[8:4]更新信號Done：結(jié)束信號St：開始信號M：乘數(shù)值信號模塊體系結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)路徑控制邏輯4bit加法器9bit移位數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)-加法器部分modulemy_mult_data(reset,clk,mul,muld,load,sh,ad,m,product);inputreset;inputclk;//時(shí)鐘inputload;//數(shù)據(jù)加載信號inputsh;//ACC寄存器值右移信號inputad;//ACC[8:4]值更新信號input[3:0]mul;//4bit乘數(shù)input[3:0]muld;//4bit被乘數(shù)outputm;//是否加被乘數(shù)信號output[7:0]product;//乘法運(yùn)算結(jié)果

//模塊內(nèi)局部信號reg[8:0]acc;//ACC寄存器wire[4:0]sum;//加法器輸出部分和

assignsum={1‘b0,muld}+acc[7:4];//描述加法器數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)-加法器部分modulemy_mult_dat數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)-移位寄存器部分assignm=acc[0];

//將ACC最低位送m//用always塊描述累加器操作always@(posedgeresetorposedgeclk)if(reset==1)acc<=9‘d0;//復(fù)位信號reset為1時(shí)ACC置0elseif(load==1)acc<={5‘b00000,mul};//加載0和乘數(shù)到ACCelseif(ad==1)acc[8:4]<=sum;//加載求和值到ACCelseif(sh==1)acc<={1‘b0,acc[8:1]};//ACC右移

一位assignproduct=acc[7:0];

//乘法運(yùn)算結(jié)果endmodule數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)-移位寄存器部分assignm=acc[0模塊時(shí)序圖設(shè)計(jì)對較復(fù)雜的關(guān)鍵電路，結(jié)合算法流程圖和初步的體系結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)者應(yīng)畫出模塊的時(shí)序圖，必要時(shí)交互修改體系結(jié)構(gòu)圖。這是一個(gè)反復(fù)修改、細(xì)化設(shè)計(jì)的過程，需要設(shè)計(jì)者靈和應(yīng)用相關(guān)知識(shí)和發(fā)揮創(chuàng)意，將事件驅(qū)動(dòng)的算法轉(zhuǎn)換為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的控制信號和數(shù)據(jù)操作。計(jì)算結(jié)果模塊時(shí)序圖設(shè)計(jì)對較復(fù)雜的關(guān)鍵電路，結(jié)合算法流程控制邏輯ASM圖說明：根據(jù)算法流程圖、體系結(jié)構(gòu)圖或時(shí)序圖，分配狀態(tài)，并畫出ASM圖。信號說明：Load：數(shù)據(jù)加載信號Sh：ACC右移信號Ad：ACC[8:4]更新信號Done：結(jié)束信號St：開始信號M：乘數(shù)值信號K:ACC右移次數(shù)為3時(shí)，k<＝1控制邏輯ASM圖控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)modulemy_mult_ctl(reset,clk,start,m,load,sh,ad,done);inputclk;//時(shí)鐘inputst;//開始信號inputm;//是否加被乘數(shù)信號outputload;regload;//數(shù)據(jù)加載信號outputsh;regsh;//ACC寄存器值右移信號outputad;regad;//ACC[8:4]值更新信號outputdone;regdone;//結(jié)束信號

wirek;//累加結(jié)束信號reg[1:0]cnt;//累加計(jì)數(shù)器reg[1:0]state,next_state;parameter[1:0]S0=2’b00,S1=2’b01,S2=2’b10,S3=2’b11;控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)modulemy_mult_c控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)always@(storkormorstate)//狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出，狀態(tài)機(jī)組合邏輯電路beginload<=0;//非阻塞賦值，在本次always操作完成時(shí)才賦值，sh<=0;//在本次always中其它地方可以改變該值，實(shí)際ad<=0;//賦值是最后一次改變的值。done<=0;case(state)S0:if(st==1’b1)//開始beginload<=1’b1;next_state<=S1;//進(jìn)入S1endelsenext_state<=S0;S1:if(m==1’b1)//乘數(shù)為1beginad<=1’b1;//加被乘數(shù)，修改Ad賦值next_state<=S2;//進(jìn)入S2endelsebeginsh<=1’b1;//乘數(shù)為0,直接右移，修改Sh賦值

if(cnt==2’b11)//乘數(shù)完進(jìn)入S3next_state<=S3;elsenext_state<=S1//乘數(shù)未完，返回S1end控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)always@(stork控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)S2:beginsh<=1’b1;//右移

if(cnt==2’b11)//乘數(shù)完進(jìn)入S3next_state<=S3;elsenext_state<=S1//乘數(shù)未完，返回S1endS3:beginnext_state<=S0;//返回S0done<=1’b1;//一次操作完成，結(jié)束指示置1endendcaseend控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)S2:beginsh<=1控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)always@(posedgeresetorposedgeclk)//狀態(tài)轉(zhuǎn)移，狀態(tài)機(jī)時(shí)序邏輯電路if(reset==1)state<=0;elsestate<=next_state;//D觸發(fā)器

always@(posedgeclkorposedgeload)//右移計(jì)數(shù)器，狀態(tài)機(jī)輔助電路if(load==1'b1)//加載數(shù)據(jù)時(shí)，清右移計(jì)數(shù)器cntcnt<=2'b00;elseif(sh==1'b1)//右移1位，右移計(jì)數(shù)器cnt加1cnt<=cnt+1'b1;endmodule控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)always@(posedge綜合出my_mult.v的RTL級原理電路

綜合出my_mult.v的RTL級原理電路綜合出my_mult.v的門級電路

綜合出my_mult.v的門級電路模塊頂層設(shè)計(jì)模塊頂層設(shè)計(jì)模塊仿真測試-啟動(dòng)仿真工具模塊仿真測試-啟動(dòng)仿真工具模塊仿真測試-仿真激勵(lì)文件模塊仿真測試-仿真激勵(lì)文件模塊仿真測試-功能仿真結(jié)果波形模塊仿真測試-功能仿真結(jié)果波形本講要點(diǎn)數(shù)字系統(tǒng)的分層和分域描述概念系統(tǒng)規(guī)格、體系結(jié)構(gòu)、算法模型、RTL級設(shè)計(jì)、行為綜合和RTL級綜合概念。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，控制邏輯和數(shù)據(jù)路徑的概念。算法流程圖定義與應(yīng)用。時(shí)序圖設(shè)計(jì)算法狀態(tài)機(jī)圖定義和設(shè)計(jì)，與狀態(tài)圖的轉(zhuǎn)換。掌握基于算法狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法。本講要點(diǎn)數(shù)字系統(tǒng)的分層和分域描述概念實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)三：8bit無符號數(shù)串行硬件乘法器模塊設(shè)計(jì)和功能仿真（2學(xué)時(shí)）設(shè)計(jì)要求：要求用一個(gè)8bit加法器串行相加實(shí)現(xiàn)，模塊如下圖。完成模塊設(shè)計(jì)和功能仿真。輸入輸出說明：Reset：復(fù)位Clk：時(shí)鐘St：啟動(dòng)信號Done：運(yùn)算結(jié)束信號Mul：乘數(shù)Muld：被乘數(shù)Product：運(yùn)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)三：8bit無符號數(shù)串行硬件乘法器模塊設(shè)計(jì)和功能第八講同步數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)字系統(tǒng)的分層和分域描述

現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法數(shù)字系統(tǒng)RTL級設(shè)計(jì)方法

本講要點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)要求第八講同步數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)字系統(tǒng)的分層和分域描述數(shù)字系統(tǒng)的描述

數(shù)字系統(tǒng)常采用分層描述的方法，實(shí)踐證明這是行之有效的，因?yàn)椋悍謱哟畏从沉耸挛锏膬?nèi)在聯(lián)系，可使大化小，復(fù)雜變簡單。分層次可將一些細(xì)節(jié)隱藏起來，減少每次處理事物的數(shù)量，便于控制事物復(fù)雜度。分層次可以實(shí)現(xiàn)模塊化的設(shè)計(jì)。數(shù)字系統(tǒng)的描述數(shù)字系統(tǒng)常采用分層描述的方法，實(shí)踐證明這是數(shù)字系統(tǒng)描述可按抽象層次不同劃分為行為域、結(jié)構(gòu)域和物理域描述：結(jié)構(gòu)域行為域物理域體系結(jié)構(gòu)框圖模塊框圖網(wǎng)表邏輯門系統(tǒng)規(guī)格算法行為RTL布爾方程傳遞函數(shù)晶體管版圖單元宏單元模塊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)描述可按抽象層次不同劃分為行為域、結(jié)構(gòu)域和物理域描述現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)域行為域物理域體系結(jié)構(gòu)框圖模塊框圖網(wǎng)表邏輯門系統(tǒng)規(guī)格算法行為RTL布爾方程傳遞函數(shù)晶體管系統(tǒng)級人工設(shè)計(jì)RTL綜合行為綜合模塊級人工設(shè)計(jì)單元（LE）單元映射、布局、布線現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)域行為域物理域體系結(jié)模塊網(wǎng)表邏輯門系系統(tǒng)規(guī)格（specification）系統(tǒng)規(guī)格是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。包括：

數(shù)字系統(tǒng)功能的描述。常用功能框圖、功能說明、時(shí)序圖、C語言及systemC等描述。I/O引腳的描述，如功能、排列、驅(qū)動(dòng)能力、電平等。定時(shí)的描述，如引腳建立保持時(shí)間、時(shí)序要求、時(shí)鐘頻率等。其它物理參數(shù)，如功耗、極限參數(shù)、封裝等。系統(tǒng)規(guī)格（specification）系統(tǒng)規(guī)格是數(shù)字系統(tǒng)設(shè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)）按系統(tǒng)規(guī)格的要求，人工設(shè)計(jì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，劃分系統(tǒng)功能塊，并給出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范:

功能塊、輸入輸出接口定義及時(shí)序要求。時(shí)鐘域劃分，跨時(shí)鐘域異步電路劃分。系統(tǒng)和功能塊的復(fù)位處理方法。系統(tǒng)和功能塊的測試方法。對復(fù)雜設(shè)計(jì)需建立系統(tǒng)的行為模型。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（系統(tǒng)設(shè)計(jì)）按系統(tǒng)規(guī)格的要求，人工設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能塊的算法模型一般功能塊總是完成一個(gè)確定的任務(wù)，可以采用算法模型描述。算法模型描述了模塊硬件的行為，但不關(guān)心硬件具體實(shí)現(xiàn)的方法。算法模型是事件驅(qū)動(dòng)的，不含嚴(yán)格的時(shí)鐘信息，類似于軟件的程序，可用C、HDL語言描述?，F(xiàn)在也較多采用MATLAB，systemC等語言描述。功能塊的算法模型一般功能塊總是完成一個(gè)確定的任務(wù)，可以采用模塊體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由算法模型設(shè)計(jì)出模塊及模塊的體系結(jié)構(gòu)，一般是將模塊劃分出兩個(gè)獨(dú)立的部分，一是完成數(shù)據(jù)處理操作的數(shù)字電路部分，稱數(shù)據(jù)路徑；其二是決定不同操作執(zhí)行順序的控制電路部分，稱控制邏輯?？刂七壿嫈?shù)據(jù)路徑狀態(tài)反饋控制信號輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)控制輸入模塊體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由算法模型設(shè)計(jì)出模塊及模塊的體系結(jié)RTL級設(shè)計(jì)RTL（RegisterTransferLevel）級設(shè)計(jì)是模塊設(shè)計(jì)的主要工作。模塊的功能可定義為一組寄存器及對寄存器的操作，對寄存器的信號進(jìn)行傳輸和處理稱為寄存器傳輸操作。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)是RTL級設(shè)計(jì)需滿足三個(gè)條件：1)

系統(tǒng)中有定義的一組寄存器。如R1、R2。2)

能對寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。如R1<-R1＋R2。3)

系統(tǒng)中有信號控制操作的時(shí)序。如if(T1==1)R1<-R2；RTL級設(shè)計(jì)RTL（RegisterTransferRTL級設(shè)計(jì)一般常用的寄存器操作有：

將數(shù)據(jù)由一個(gè)寄存器傳輸?shù)搅硪粋€(gè)寄存器的傳輸操作。對寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)、邏輯操作。對寄存器中數(shù)據(jù)進(jìn)行移位操作。對寄存器進(jìn)行復(fù)位、置位操作。R1R3R2＋D3D2D1D00D3D2D1右移RTL級設(shè)計(jì)一般常用的寄存器操作有：

R1R3R2＋D3D門級網(wǎng)表與物理實(shí)現(xiàn)由RTL級設(shè)計(jì)，通過綜合工具，可綜合出門級網(wǎng)表。后續(xù)的布局布線設(shè)計(jì)工作一般可在設(shè)計(jì)人員指導(dǎo)下由EDA工具完成。門級網(wǎng)表與物理實(shí)現(xiàn)由RTL級設(shè)計(jì)，通過綜合工具，可綜合出門級

數(shù)字系統(tǒng)RTL級設(shè)計(jì)方法

數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型：

一般數(shù)字系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)分為兩個(gè)獨(dú)立的部分，數(shù)據(jù)路徑和控制邏輯。

控制邏輯數(shù)據(jù)路徑狀態(tài)反饋控制信號輸出數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)控制輸入數(shù)字系統(tǒng)RTL級設(shè)計(jì)方法數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型：一般數(shù)據(jù)路徑

數(shù)據(jù)路徑是輸入數(shù)據(jù)的處理單元，一般完成數(shù)據(jù)的算數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和移位等操作，主要由加法器、邏輯運(yùn)算單元、譯碼器、多路選擇器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器和數(shù)據(jù)寄存器等器件構(gòu)成。數(shù)據(jù)路徑數(shù)據(jù)路徑是輸入數(shù)據(jù)的處理單元，一般完成數(shù)控制邏輯

控制邏輯：給數(shù)據(jù)路徑提供一系列控制信號，并由控制輸入和數(shù)據(jù)路徑的狀態(tài)反饋決定控制信號的產(chǎn)生?？刂七壿嬛饕捎|發(fā)器和邏輯門組成。數(shù)字系統(tǒng)的控制邏輯和數(shù)據(jù)路徑目前一般使用RTL級的硬件算法確定。數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最有挑戰(zhàn)性和最富有創(chuàng)造性的工作是提出硬件算法。

控制邏輯控制邏輯：給數(shù)據(jù)路徑提供一系列控制信號，并由算法流程圖算法流程圖是從程序流程圖發(fā)展出來的一種數(shù)字系統(tǒng)的功能描述方法。它由啟動(dòng)框、結(jié)束框、工作框、判決框、條件框和有向線組成，且各框由事件驅(qū)動(dòng)并發(fā)工作，與程序流程圖不同。左圖所示算法流程圖描述了一個(gè)計(jì)數(shù)器R，啟動(dòng)一次就從0計(jì)數(shù)到10后結(jié)束，并同步顯示。工作框?？騼?nèi)說明對應(yīng)電路的功能判決框?？騼?nèi)說明判決條件，并有2個(gè)以上輸出。條件框?？騼?nèi)說明對應(yīng)電路功能，并一定與判決框一個(gè)分支相連。R<=0R=10?R顯示啟動(dòng)結(jié)束10R<=R+1算法流程圖算法流程圖是從程序流程圖發(fā)展出來的一種數(shù)字算法狀態(tài)機(jī)（ASM）算法流程圖可以方便地描述數(shù)字系統(tǒng)的主要功能，但不能描述同步時(shí)鐘控制下，信號間的嚴(yán)格時(shí)序關(guān)系。進(jìn)一步發(fā)展的可用于定義數(shù)字系統(tǒng)硬件電路的方法，稱為算法狀態(tài)機(jī)圖(algorithmicstatemachine)，簡稱ASM圖。ASM圖：與算法流程圖形式上相似，但有本質(zhì)區(qū)別。它主要由三部分組成：狀態(tài)框，判決框和條件框。算法流程圖與ASM圖主要區(qū)別在操作驅(qū)動(dòng)不同，算法流程圖是由事件驅(qū)動(dòng)的操作，而ASM圖的所有操作是由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的操作。算法狀態(tài)機(jī)（ASM）算法流程圖可以方便地描述數(shù)字系統(tǒng)的主要狀態(tài)框

狀態(tài)框描述了在某一個(gè)狀態(tài)下狀態(tài)機(jī)的操作和輸出。

寄存器操作或輸出

R<=0;START名稱編碼S1001例＝>名稱編碼本狀態(tài)操作DDD狀態(tài)轉(zhuǎn)移和次態(tài)輸出組合電路CLK輸入輸出100當(dāng)前狀態(tài)輸出組合電路輸出輸入狀態(tài)框定義的電路狀態(tài)框

狀態(tài)框描述了在某一個(gè)狀態(tài)下狀態(tài)機(jī)的操作和輸出。

寄判決框判決框又稱為條件分支框，用單入口雙出口的菱形框或單入口多出口的多邊形表示，如圖所示?？蛑袃?nèi)容是被檢驗(yàn)的判別變量和判別條件，其中的判別變量可以是狀態(tài)變量，也可以是外輸入變量；變量的個(gè)數(shù)可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)；變量的作用可以同等重要，可以有優(yōu)先級順序。判決框描述了當(dāng)前輸入和狀態(tài)變量對狀態(tài)轉(zhuǎn)移或輸出的影響，不同的條件給出相應(yīng)的轉(zhuǎn)移路徑。判決條件10判決條件判決框判決框又稱為條件分支框，用單入口雙出口的菱形框或條件框

條件框描述了在某一個(gè)狀態(tài)下狀態(tài)機(jī)的有條件操作和輸出。條件框的輸入一定是來自判決框的轉(zhuǎn)移路徑，條件框的操作是在給定狀態(tài)下，滿足一定條件后執(zhí)行的操作。寄存器操作或輸出

來自判決框的轉(zhuǎn)移路徑

E

R<=001條件框條件框描述了在某一個(gè)狀態(tài)下狀態(tài)機(jī)的有條件操作和ASM塊

ASM塊包括一個(gè)狀態(tài)框和連接到它輸出的所有判決框和條件框。每一個(gè)ASM塊描述了一個(gè)時(shí)鐘周期的系統(tǒng)狀態(tài)和操作。如圖，當(dāng)系統(tǒng)處于S1狀態(tài)時(shí)，在ASM塊內(nèi)的所有操作會(huì)在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行，同時(shí)系統(tǒng)從S1狀態(tài)將轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)（S2、S3或S4），具體轉(zhuǎn)移路徑由E、F值決定。

A<＝A＋1

E

R<=001F01S2S3S4S1001ASM塊ASM塊ASM塊包括一個(gè)狀態(tài)框和連接到它輸出的所ASM塊與狀態(tài)機(jī)關(guān)系DDD狀態(tài)轉(zhuǎn)移和次態(tài)輸出組合電路CLK輸入輸出100當(dāng)前狀態(tài)輸出組合電路輸出輸入狀態(tài)框定義的電路判決框和條件框定義的電路A<＝A＋1

E

R<=001F01S2S3S4S1001ASM塊次態(tài)輸出組合電路ASM塊與狀態(tài)機(jī)關(guān)系DDD狀態(tài)轉(zhuǎn)移和次態(tài)輸出組合電路CLK輸ASM的時(shí)序同步數(shù)字系統(tǒng)中所有寄存器的時(shí)序是由一個(gè)時(shí)鐘控制的。時(shí)鐘不僅加在數(shù)據(jù)路徑上，也加在控制邏輯（控制狀態(tài)機(jī)）上。當(dāng)CLK上升沿到來時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)向狀態(tài)S1，下列操作在同一個(gè)時(shí)鐘期間并行進(jìn)行：a）

A<＝A＋1b）

如果E＝1，則R<＝0c）

當(dāng)下一個(gè)CLK上升沿到來時(shí),當(dāng)前狀態(tài)S1轉(zhuǎn)向次態(tài)?，F(xiàn)態(tài)S1操作：A<＝A＋1；If（E＝1）thenR<＝0；CLK次態(tài)S2、S3或S4ASM的時(shí)序同步數(shù)字系統(tǒng)中所有寄存器的時(shí)序是由一個(gè)時(shí)鐘控制ASM例等效的ASM塊

表示組合邏輯。在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。與執(zhí)行順序無關(guān)。x1x2Z2Sn001S2011S3100S2110S3S狀態(tài)Z1＝1Z2＝1ASM例等效的ASM塊表示組合邏輯。在同一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成ASM例等效的判決框

ASM例等效的判決框ASM例錯(cuò)誤反饋信號的ASM塊

反饋路徑未通過狀態(tài)框。產(chǎn)生組合邏輯環(huán)。ASM例錯(cuò)誤反饋信號的ASM塊反饋路徑未通過狀態(tài)框。產(chǎn)生組ASM例功能等效的并行判決框和串行判決框。ASM例功能等效的并行判決框和串行判決框。ASM圖與狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換ASM圖與狀態(tài)圖是等效的，可以互相轉(zhuǎn)換。狀態(tài)框判決框條件框ASM圖與狀態(tài)圖轉(zhuǎn)換ASM圖與狀態(tài)圖是等效的，可以互相轉(zhuǎn)換ASM流程圖與狀態(tài)圖的時(shí)序圖ASM流程圖與狀態(tài)圖的時(shí)序圖設(shè)計(jì)例模塊功能：設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)4bit無符號二進(jìn)制數(shù)相乘的硬件乘法器。設(shè)計(jì)要求：要求用一個(gè)4bit加法器串行相加實(shí)現(xiàn)，如圖模塊。

輸入輸出說明：Reset：復(fù)位Clk：時(shí)鐘St：啟動(dòng)信號Done：運(yùn)算結(jié)束信號Mul：乘數(shù)Muld：被乘數(shù)Product：運(yùn)算結(jié)果設(shè)計(jì)例模塊功能：設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)4bit無符號二進(jìn)制數(shù)相二進(jìn)制乘法原理（算法模型）二進(jìn)制乘法原理（算法模型）模塊算法流程圖

說明：St：操作啟動(dòng)信號。ACC[8:0]:累加器cnt:移位計(jì)數(shù)器SUM[4:0]:加法器和MULD:4bit被乘數(shù)MUL:4bit乘數(shù)結(jié)果放在ACC[7:0]中重點(diǎn)：算法流程圖要描述清楚數(shù)據(jù)路徑、操作數(shù)據(jù)和控制信號間的邏輯關(guān)系。開始St=1?ACC<=0,cnt<=0,ACC[3:0]<=MULSUM<=ACC[8:4]+{0,MULD}ACC[0]=1?ACC[8:4]<=SUMACC右移1位cnt＝3？YYNNNYcnt=cnt+1模塊算法流程圖說明：開始St=1?ACC<=0,c模塊體系結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)路徑控制邏輯4bit加法器9bit移位寄存器CLK：同步時(shí)鐘Load：數(shù)據(jù)加載信號Sh：ACC右移信號Ad：ACC[8:4]更新信號Done：結(jié)束信號St：開始信號M：乘數(shù)值信號模塊體系結(jié)構(gòu)框圖數(shù)據(jù)路徑控制邏輯4bit加法器9bit移位數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)-加法器部分modulemy_mult_data(reset,clk,mul,muld,load,sh,ad,m,product);inputreset;inputclk;//時(shí)鐘inputload;//數(shù)據(jù)加載信號inputsh;//ACC寄存器值右移信號inputad;//ACC[8:4]值更新信號input[3:0]mul;//4bit乘數(shù)input[3:0]muld;//4bit被乘數(shù)outputm;//是否加被乘數(shù)信號output[7:0]product;//乘法運(yùn)算結(jié)果

//模塊內(nèi)局部信號reg[8:0]acc;//ACC寄存器wire[4:0]sum;//加法器輸出部分和

assignsum={1‘b0,muld}+acc[7:4];//描述加法器數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)-加法器部分modulemy_mult_dat數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)-移位寄存器部分assignm=acc[0];

//將ACC最低位送m//用always塊描述累加器操作always@(posedgeresetorposedgeclk)if(reset==1)acc<=9‘d0;//復(fù)位信號reset為1時(shí)ACC置0elseif(load==1)acc<={5‘b00000,mul};//加載0和乘數(shù)到ACCelseif(ad==1)acc[8:4]<=sum;//加載求和值到ACCelseif(sh==1)acc<={1‘b0,acc[8:1]};//ACC右移

一位assignproduct=acc[7:0];

//乘法運(yùn)算結(jié)果endmodule數(shù)據(jù)路徑設(shè)計(jì)-移位寄存器部分assignm=acc[0模塊時(shí)序圖設(shè)計(jì)對較復(fù)雜的關(guān)鍵電路，結(jié)合算法流程圖和初步的體系結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)者應(yīng)畫出模塊的時(shí)序圖，必要時(shí)交互修改體系結(jié)構(gòu)圖。這是一個(gè)反復(fù)修改、細(xì)化設(shè)計(jì)的過程，需要設(shè)計(jì)者靈和應(yīng)用相關(guān)知識(shí)和發(fā)揮創(chuàng)意，將事件驅(qū)動(dòng)的算法轉(zhuǎn)換為時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的控制信號和數(shù)據(jù)操作。計(jì)算結(jié)果模塊時(shí)序圖設(shè)計(jì)對較復(fù)雜的關(guān)鍵電路，結(jié)合算法流程控制邏輯ASM圖說明：根據(jù)算法流程圖、體系結(jié)構(gòu)圖或時(shí)序圖，分配狀態(tài)，并畫出ASM圖。信號說明：Load：數(shù)據(jù)加載信號Sh：ACC右移信號Ad：ACC[8:4]更新信號Done：結(jié)束信號St：開始信號M：乘數(shù)值信號K:ACC右移次數(shù)為3時(shí)，k<＝1控制邏輯ASM圖控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)modulemy_mult_ctl(reset,clk,start,m,load,sh,ad,done);inputclk;//時(shí)鐘inputst;//開始信號inputm;//是否加被乘數(shù)信號outputload;regload;//數(shù)據(jù)加載信號outputsh;regsh;//ACC寄存器值右移信號outputad;regad;//ACC[8:4]值更新信號outputdone;regdone;//結(jié)束信號

wirek;//累加結(jié)束信號reg[1:0]cnt;//累加計(jì)數(shù)器reg[1:0]state,next_state;parameter[1:0]S0=2’b00,S1=2’b01,S2=2’b10,S3=2’b11;控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)modulemy_mult_c控制邏輯的verilog設(shè)計(jì)always@(storkormorstate)//狀態(tài)轉(zhuǎn)移和輸出，狀態(tài)機(jī)組合邏輯電路beginload<=0;//非阻塞賦值，在本次always操作完成時(shí)才賦值，sh<=0;//在本次always中其它地方可以改變該值，實(shí)際ad<=0;//賦值是最后一次改變的值。done<=0;case(state)S0:if(st==1’b1)//開始beginload<=1’