EDA技術(shù)及應(yīng)用-基于FPGA的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)：電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)論

EDA技術(shù)及應(yīng)用——基于FPGA的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)論1.1電子系統(tǒng)概述1.2電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法1.3電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟1.1.1電子系統(tǒng)的組成1.1.2電子系統(tǒng)的分類(lèi)1.1.3電子系統(tǒng)的指標(biāo)1.1概述1.1.1電子系統(tǒng)的組成1、系統(tǒng)與電子系統(tǒng)

系統(tǒng)的定義

電子系統(tǒng)的定義2、電子系統(tǒng)的一般組成（1）系統(tǒng)與電子系統(tǒng)系統(tǒng)的定義：

系統(tǒng)是由兩個(gè)以上各不相同且互相聯(lián)系、互相制約的單元組成的、在給定環(huán)境下能夠完成一定功能的綜合體。

——單元：可以是元件、部件或子系統(tǒng)。

——一個(gè)系統(tǒng)又可能是另一個(gè)更大的系統(tǒng)的子系統(tǒng)。系統(tǒng)的特點(diǎn)：

功能與結(jié)構(gòu)上具有綜合性、層次性、復(fù)雜性。電子系統(tǒng)的定義

通常將由電子元器件或部件組成的能夠產(chǎn)生、傳輸、采集或處理電信號(hào)及信息的客觀實(shí)體稱(chēng)之為電子系統(tǒng)。

——例如，通訊系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、電子測(cè)量系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等等。

——電子系統(tǒng)在功能與結(jié)構(gòu)上具有高度的綜合性、層次性和復(fù)雜性。

——電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析方法是本章討論的中心。IP：IntellectuanProperty知識(shí)產(chǎn)權(quán)。指5000門(mén)以上的硅功能塊。有軟核（HDL語(yǔ)言）、硬核（芯片版圖）和固核（RT級(jí)HDL語(yǔ)言）。

當(dāng)今電子產(chǎn)品的兩大特點(diǎn):1.產(chǎn)品的復(fù)雜性加深.根據(jù)Moore定律IC的復(fù)雜性大約每6年增加10倍；2.產(chǎn)品的上市時(shí)間與市場(chǎng)壽命減小,競(jìng)爭(zhēng)加劇.延誤市場(chǎng)周期產(chǎn)品壽命上市下市贏利適時(shí)上市的贏利三角形延誤上市的贏利三角形時(shí)間產(chǎn)品市場(chǎng)窗口圖（2）電子系統(tǒng)的一般組成

圖1-1電子系統(tǒng)的一般組成組成：模擬子系統(tǒng)、數(shù)字子系統(tǒng)、微處理機(jī)子系統(tǒng)。

模擬子系統(tǒng)：傳感、高低頻放大、模/數(shù)、數(shù)/模變換及執(zhí)行機(jī)構(gòu)；

數(shù)字子系統(tǒng)：信息處理、決策、控制；

微處理機(jī)（信號(hào)處理DSP）子系統(tǒng)：CPU控制實(shí)現(xiàn)信息處理、決策、控制；1．按處理的信號(hào)形式分類(lèi)

模擬電子系統(tǒng)

數(shù)字電子系統(tǒng)

混合電子系統(tǒng)當(dāng)前的應(yīng)用電子系統(tǒng)，一般都同時(shí)使用數(shù)字和模擬兩類(lèi)技術(shù)，兩者互為補(bǔ)充，充分發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，但對(duì)一個(gè)具體應(yīng)用系統(tǒng)而言，使用技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)則有所不同，有的以數(shù)字技術(shù)為主，有的以模擬技術(shù)為主。1.1.2電子系統(tǒng)的分類(lèi)模擬電子系統(tǒng)定義由若干模擬集成電路、單元電路和分立元器件組成，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、處理、變換和產(chǎn)生的電子系統(tǒng)。

數(shù)字（電子）系統(tǒng)特點(diǎn)由若干數(shù)字電路和邏輯部件組成，處理及傳送數(shù)字信號(hào)。定義凡是利用數(shù)字技術(shù)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理、傳輸?shù)碾娮酉到y(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)；精確度高；便于大規(guī)模集成，易于實(shí)現(xiàn)小型化；便于模塊化；便于加密、解密。模擬-數(shù)字混合電子系統(tǒng)定義由模擬電子電路和數(shù)字電子電路組成的電子系統(tǒng)。

應(yīng)用主要用于過(guò)程控制和各種儀器儀表中，完成對(duì)如溫度、壓力、流量、速度等物理量的測(cè)量、控制和顯示等。溫度電壓大信號(hào)數(shù)字信號(hào)控制信號(hào)模擬信號(hào)圖1-2水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)

2．按電子系統(tǒng)的功能分類(lèi)非智能型：功能簡(jiǎn)單、功能固定的電子系統(tǒng)；智能型：一般可以將以微機(jī)或單片機(jī)為核心的系統(tǒng)為智能系統(tǒng)。智能型幾個(gè)特點(diǎn)：

——必須有記憶力；

——有自學(xué)習(xí)能力；

——易于接受信息、命令；

——具有分析、判斷、決策能力；

——可以控制或執(zhí)行所作的決定。1.1.2電子系統(tǒng)的分類(lèi)3．按電子系統(tǒng)的應(yīng)用方向分類(lèi)——測(cè)控系統(tǒng)。如：航天器飛行控制、工業(yè)控制；

——測(cè)量系統(tǒng)。如：電量、非電量的精密測(cè)量；

——數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。如語(yǔ)音、圖像、雷達(dá)信息處理；

——通信系統(tǒng)。如：移動(dòng)通信、數(shù)字通信、微波通信；

——計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

——智能家居系統(tǒng)?！悄芙煌ㄏ到y(tǒng)?！悄軜怯钕到y(tǒng)?！悄馨卜老到y(tǒng)?！獧C(jī)器人系統(tǒng)。谷歌人工智能-AlphaGo波士頓動(dòng)力機(jī)器人-Altas1.1.3電子系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)——衡量電子系統(tǒng)的指標(biāo)可能有功能、工作范圍、容量、精度，靈敏度、穩(wěn)定性、可靠性、響應(yīng)速度和使用場(chǎng)合、工作環(huán)境、供電方式、功耗、體積重量等

；

——對(duì)不同系統(tǒng)而言，系統(tǒng)指標(biāo)要求不同

；

——系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)類(lèi)型、功能要求、指標(biāo)要求，細(xì)化出每個(gè)待設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)以便進(jìn)行設(shè)計(jì)

。自下而上的設(shè)計(jì)方法（BOTTOM-UP）自上而下（TDD）的設(shè)計(jì)方法（TOP-DOWN）1.2電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法（1）電子系統(tǒng)的層次性

根據(jù)用戶(hù)要求→從現(xiàn)成的數(shù)字器件或子系統(tǒng)開(kāi)始→對(duì)現(xiàn)有的組件或較小的系統(tǒng)或相似的系統(tǒng)加以修改、擴(kuò)大和相互連接→構(gòu)成能滿(mǎn)足用戶(hù)要求的新系統(tǒng)。

特點(diǎn)：

——無(wú)明顯規(guī)律可循，完全憑經(jīng)驗(yàn)；——系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)只有在系統(tǒng)構(gòu)成后才能進(jìn)行測(cè)試。如果系統(tǒng)問(wèn)題較大，有可能重新設(shè)計(jì)。（2）自底向上的設(shè)計(jì)方法（BOTTOM-UP）設(shè)計(jì)過(guò)程：

根據(jù)用戶(hù)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)→描述系統(tǒng)功能→給出系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系→構(gòu)成系統(tǒng)總體框圖(系統(tǒng)級(jí))→并將它分解成功能單一的子系統(tǒng)→描述出子系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系及子系統(tǒng)間相互關(guān)系(子系統(tǒng)級(jí))

→設(shè)計(jì)或選用一些部件實(shí)現(xiàn)既定功能的子系統(tǒng)(部件級(jí)設(shè)計(jì))→選用適當(dāng)?shù)脑骷?shí)現(xiàn)既定功能的部件(元件級(jí)設(shè)計(jì))→上述過(guò)程反復(fù)循環(huán)，反復(fù)修正直致方案可行。設(shè)計(jì)過(guò)程：（3）自頂向下（TDD）的設(shè)計(jì)方法（TOP-DOWN）舉例21特點(diǎn)傳統(tǒng)方法現(xiàn)代方法采用器件通用型器件PLD設(shè)計(jì)對(duì)象電路板芯片設(shè)計(jì)方法自下而上自上而下仿真時(shí)期系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后期系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)早期主要設(shè)計(jì)文件電路原理圖HDL語(yǔ)言編寫(xiě)的程序表1-1數(shù)字系統(tǒng)的兩種設(shè)計(jì)方法比較現(xiàn)代的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法基于芯片——采用PLD，利用EDA開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)芯片設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。23計(jì)算機(jī)+EDA軟件空白PLD+→數(shù)字系統(tǒng)通常采用自上而下（TopDown）的設(shè)計(jì)方法采用可編程邏輯器件在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的早期進(jìn)行仿真主要設(shè)計(jì)文件是用硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)的源程序降低了硬件電路設(shè)計(jì)難度特點(diǎn)自行定義器件內(nèi)部的邏輯和引腳寫(xiě)出真值表或狀態(tài)表→EDA開(kāi)發(fā)工具自動(dòng)進(jìn)行邏輯綜合→模擬仿真→編程下載到PLD中1.3電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的一般步驟——物理描述與設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的具體形式、技術(shù)與工藝。（如物理類(lèi)型、布局的幾何式樣、尺寸、位置和裝配方法等）——行為描述與設(shè)計(jì)：系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件或元件等的功能；

——結(jié)構(gòu)描述與設(shè)計(jì)：系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件或元件等的互連方式；說(shuō)明——行為描述與設(shè)計(jì)：如移動(dòng)電話(huà)：雙工通話(huà)功能、來(lái)電顯示功能、存儲(chǔ)功能、時(shí)鐘/鬧鐘功能、計(jì)算機(jī)接口功能；接收/發(fā)射頻率、調(diào)制方式、待機(jī)時(shí)間、連續(xù)通話(huà)時(shí)間、供電電池電壓、尺寸和重量等；

——結(jié)構(gòu)描述與設(shè)計(jì)：系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件或元件等的互連方式；

如移動(dòng)電話(huà)：確定用戶(hù)操作界面、移動(dòng)電話(huà)與GSM網(wǎng)之間的信息交換的方式和協(xié)議、確定與計(jì)算機(jī)之間的連接方式與協(xié)議等；

——物理描述與設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的具體形式、技術(shù)與工藝。（如物理類(lèi)型、布局的幾何式樣、尺寸、位置和裝配方法等）如移動(dòng)電話(huà)：機(jī)殼、操作按鍵、顯示屏、與外部連接接插件的外形、尺寸、材料及工藝等。1.模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

（1）任務(wù)分析、方案比較、確定總體方案；（2）將系統(tǒng)劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的功能塊，畫(huà)出系統(tǒng)的總體組成框圖；（3）以實(shí)現(xiàn)各功能塊的集成電路為中心，通過(guò)選擇和計(jì)算完成各個(gè)功能單元外接電路與元件的配置；（4）單元之間耦合的核算及電路的整體配合與調(diào)整，以得到一個(gè)比較切合實(shí)際的系統(tǒng)整體電路原理圖；（5）根據(jù)第3、4步的結(jié)果，重新核算系統(tǒng)的主要指標(biāo)，檢查是否滿(mǎn)足要求且留有一定余地；（6）畫(huà)出系統(tǒng)元器件布置圖和印刷電路板的布線(xiàn)圖，并考慮其測(cè)試方案，設(shè)置相關(guān)的測(cè)試點(diǎn)。（7）計(jì)算機(jī)模擬仿真。盡管模擬系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件少，但還是可以利用一些仿真軟件，如利用PSPICE、Multisim、EWB、AltiumDesigner等進(jìn)行輔助電路設(shè)計(jì)。2.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟

（1）明確設(shè)計(jì)要求拿到一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，首先要對(duì)它進(jìn)行消化理解，將設(shè)計(jì)要求羅列成條，每一條都應(yīng)是無(wú)二義的。這一步是明確待設(shè)計(jì)系統(tǒng)的邏輯功能及性能指標(biāo)。在明確了設(shè)計(jì)要求之后應(yīng)能畫(huà)出系統(tǒng)的簡(jiǎn)單示意方框圖，標(biāo)明輸入、輸出信號(hào)及必要的指標(biāo)。（2）確定系統(tǒng)方案明確了設(shè)計(jì)要求之后，就要確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的原理和方法，這一步是最具創(chuàng)造性的工作。同一功能可以有不同的實(shí)現(xiàn)方案，而方案的優(yōu)劣直接關(guān)系到系統(tǒng)的質(zhì)量及性能價(jià)格比，因此要反復(fù)比較與權(quán)衡。常用方框圖、流程圖或描述語(yǔ)言來(lái)描述系統(tǒng)方案。系統(tǒng)方案確定后要求畫(huà)出系統(tǒng)方框圖和詳細(xì)的流程圖，如有需要還應(yīng)畫(huà)出必要的時(shí)序波形圖。（3）受控器的設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)方案，選擇合適的器件構(gòu)成受控器的電路原理圖，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可能還要對(duì)此電路原理圖進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)，最后得到實(shí)用的受控器電路原理圖。（4）控制器的設(shè)計(jì)根據(jù)描述系統(tǒng)方案的模型導(dǎo)出MDS圖（MemonicDocumentStateDiagram，可譯為助記狀態(tài)圖，或備有記憶文檔的狀態(tài)圖），按照規(guī)則及受控器的要求選擇電路構(gòu)成控制器，必要時(shí)也要進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)，最后得到實(shí)用的控制器電路原理圖。然后再將控制器和受控器電路合在一起，從而得到整個(gè)系統(tǒng)的電路原理圖。（5