《數(shù)字電路設(shè)計及Verilog HDL實現(xiàn)》課件第1章

1.1數(shù)字系統(tǒng)的基本概念

1.2數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法

1.3EDA技術(shù)基礎(chǔ)

習(xí)題第1章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計概述

1.數(shù)字信號

數(shù)字系統(tǒng)的一個典型特征就是能夠表示并處理離散的信息量。離散的信息量是非連續(xù)物理量的數(shù)值表述，這樣的物理量稱為數(shù)字量。

數(shù)字量在數(shù)字系統(tǒng)中只采用0、1兩種數(shù)碼表示，因為只有兩種取值，所以稱為二進制。1.1數(shù)字系統(tǒng)的基本概念表示0、1兩種數(shù)碼的兩種不同狀態(tài)，可以是低電平和高電平，也可以是無脈沖和有脈沖等。

這類用于表示數(shù)字量，且參數(shù)具有離散特征的電信號稱為數(shù)字信號。圖1.1.1給出了數(shù)字量110100010的兩種數(shù)字信號波形。圖(a)中高電平表示“1”，低電平表示“0”；圖(b)中有脈沖表示“1”，無脈沖表示“0”。圖1.1.1數(shù)字信號

2.數(shù)字電路

工作于數(shù)字信號的電路稱為數(shù)字電路。數(shù)字電路采用二進制，1、0兩種數(shù)碼正好對應(yīng)于兩種邏輯狀態(tài)：真和假，因此可方便地進行邏輯運算和邏輯處理。邏輯運算是數(shù)字電路最基本的運算形式，因此數(shù)字電路也稱為數(shù)字邏輯電路。數(shù)字電路中，實現(xiàn)基本邏輯運算的電子電路稱為門電路，如用于實現(xiàn)“與”運算的與門、實現(xiàn)“或”運算的或門等。采用少量的幾個門電路還可以很容易地構(gòu)成一種能夠存儲并記憶1位二進制信息的邏輯部件，稱為觸發(fā)器。門電路和觸發(fā)器是數(shù)字電路最基本的電路單元。早期的門電路是由導(dǎo)線將晶體管、電阻等獨立的元件連接形成的，稱為分立元件門電路。從20世紀(jì)60年代開始，構(gòu)成門電路或觸發(fā)器的電子電路可以被制作于一塊半導(dǎo)體芯片中，形成了目前廣泛應(yīng)用的集成電路IC(IntegratedCircuit)。

集成電路的一個重要指標(biāo)是集成度。集成度指每塊芯片或芯片每單位面積中包含的晶體管的數(shù)量，通常用于表示集成電路的規(guī)模。集成門電路和集成觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)簡單，只包含幾個少量的晶體管，集成度低，規(guī)模小，因此被稱為小規(guī)模集成電路SSIC(SmallScaleIntegratedCircuit)。但從此后，隨著集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，更多的晶體管，甚至是整個電路都能夠被制作于一片芯片中，形成了規(guī)模更大的集成電路。

按照摩爾定律，芯片的集成度每1~2年就能提高一倍，有望在2012年達到9718×106晶體管/片。

3.數(shù)字系統(tǒng)

一直以來，數(shù)字電路的一項主要研究內(nèi)容就是如何實現(xiàn)對數(shù)字信息的可靠存儲、方便快速的運算及滿足應(yīng)用需求的各種操作處理。為達到這一目標(biāo)，通常需要將多個數(shù)字電路的功能模塊有機地組織成一個電子系統(tǒng)，在控制電路的統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮下，完成對數(shù)字信息的存儲、傳輸和處理等操作，這樣的系統(tǒng)稱為數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)基于數(shù)字電路技術(shù)，處理的是以二進制形式表示的具有離散特征的數(shù)據(jù)。從這個角度看，數(shù)字系統(tǒng)就是能夠存儲、傳輸、處理以二進制形式表示的離散數(shù)據(jù)的邏輯模塊/子系統(tǒng)的集合。數(shù)字系統(tǒng)的組成框圖如圖1.1.2所示，通常由控制電路、輸入電路、輸出電路、功能單元電路和時基電路組成。輸入電路引入外部信號，如開關(guān)、按鍵的狀態(tài)等。輸出電路送出數(shù)字系統(tǒng)的處理結(jié)果，如將處理結(jié)果在發(fā)光二極管、七段數(shù)碼管或液晶顯示器上輸出顯示。功能單元電路按系統(tǒng)設(shè)計要求完成對數(shù)據(jù)信息的加工處理，通常包括存儲電路和運算電路。不同應(yīng)用目的的數(shù)字系統(tǒng)對數(shù)據(jù)有不同的處理操作要求，功能單元電路的結(jié)構(gòu)與功能也不盡相同，

復(fù)雜程度也可能有較大差異。有些系統(tǒng)的功能單元電路本身可能又由多個電路模塊構(gòu)成，因此在圖中用虛線框表示。輸入電路、輸出電路和功能單元電路在數(shù)字信息的處理過程中執(zhí)行具體的任務(wù)，它們需要在控制電路的統(tǒng)一調(diào)度指揮下，協(xié)調(diào)有序地動作，才能保證處理任務(wù)的正確執(zhí)行。時基電路為所有的電路模塊提供所需的定時信號。圖1.1.2數(shù)字系統(tǒng)組成框圖數(shù)字系統(tǒng)區(qū)別于功能模塊電路的一個典型特點就是在其組成結(jié)構(gòu)中包含了控制電路?？刂齐娐吩跁r基電路產(chǎn)生的定時信號的作用下，按照數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的算法流程進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，在不同的狀態(tài)條件下產(chǎn)生不同的用于控制其他各部件的控制信號，協(xié)調(diào)各部件的動作，實現(xiàn)自動連續(xù)的處理過程。一個典型的例子就是數(shù)字計算機。1.2.1三類常用芯片

1.標(biāo)準(zhǔn)芯片

標(biāo)準(zhǔn)芯片集成度通常都較低(一般低于100晶體管/片)，只能實現(xiàn)一些簡單、固定的邏輯功能。使用標(biāo)準(zhǔn)芯片設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)時，需要先選擇合適的芯片，利用芯片實現(xiàn)基本的邏輯功能模塊，然后再根據(jù)系統(tǒng)邏輯功能需求，決定各模塊之間的連接方式。多個具有不同邏輯功能的模塊相互連接，可搭建構(gòu)成更大的邏輯電路。1.2數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計方法采用標(biāo)準(zhǔn)芯片的設(shè)計方法主要用于20世紀(jì)80年代之前，其缺點是：

(1)所需要的芯片個數(shù)多，占用電路板體積大，功耗大，可靠性差，難于實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。

(2)邏輯功能固定，一旦完成設(shè)計，就很難再進行更改。

2.可編程邏輯器件PLD

可編程邏輯器件PLD(ProgrammableLogicDevice)是20世紀(jì)70年代開始發(fā)展起來的一類集成電路器件。

PLD的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)PLD作為通用芯片，可批量生產(chǎn)，成本低，但又可編程配置實現(xiàn)不同的電路，設(shè)計后能實現(xiàn)專用集成電路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的功能。

(2)大多數(shù)的PLD器件允許多次編程，便于系統(tǒng)的修改、升級和維護。

(3)PLD的集成度高，與標(biāo)準(zhǔn)芯片相比，可以實現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯電路。目前應(yīng)用最廣泛的一類PLD器件是現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(FieldProgrammableGateArray)，其集成度可達到千萬級以上晶體管/片，甚至可以將整個系統(tǒng)制作于一個芯片內(nèi)。由于大部分電路都可以在芯片內(nèi)實現(xiàn)，因此，相對于標(biāo)準(zhǔn)芯片，使用PLD設(shè)計的電路具有功耗低、體積小、可靠性高等優(yōu)點。

3.定制芯片

定制芯片按照其設(shè)計與生產(chǎn)的方式，可分為全定制芯片和半定制芯片兩類。全定制芯片由設(shè)計者完全決定芯片內(nèi)的晶體管數(shù)量、晶體管的放置位置、相互之間的連接方式等。半定制芯片是在廠商預(yù)構(gòu)建的一些電路的基礎(chǔ)上由用戶設(shè)計版圖，再交付生產(chǎn)廠家進行生產(chǎn)的。比如廠商可預(yù)構(gòu)建一些標(biāo)準(zhǔn)單元或門陣列，用戶基于這些標(biāo)準(zhǔn)單元或門陣列設(shè)計電路，然后由廠商根據(jù)用戶的需求布線連接各單元，生產(chǎn)出滿足功能與性能需求的芯片。相對于全定制芯片，半定制芯片可以減少設(shè)計的復(fù)雜性，縮短設(shè)計開發(fā)周期，但性能要差一些。定制芯片的缺點是：

(1)設(shè)計和開發(fā)周期長，產(chǎn)品投放市場時間長。

(2)生產(chǎn)過程中可能要經(jīng)過多次反復(fù)的嘗試，成本高，風(fēng)險大。為降低成本，通常需要生產(chǎn)足夠的數(shù)量，以降低每片芯片的平均價格。

定制芯片通常用于微處理器、信號處理等大規(guī)模專用集成電路。1.2.2數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計過程

1.設(shè)計方法

1)自底向上

自底向上的設(shè)計方法是傳統(tǒng)的使用標(biāo)準(zhǔn)芯片設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)時所采用的主要方法。

2)自頂向下

自頂向下的設(shè)計過程從系統(tǒng)的概念設(shè)計開始，描述并定義系統(tǒng)的行為特性，并在系統(tǒng)級進行仿真測試。依據(jù)系統(tǒng)的功能需求，將整個系統(tǒng)劃分為若干個相對獨立的子系統(tǒng)。

若子系統(tǒng)規(guī)模較大，還可以繼續(xù)劃分，直至劃分為便于邏輯設(shè)計和實現(xiàn)的基本模塊。這一劃分過程不必考慮硬件的功能特性，完全可以依據(jù)系統(tǒng)的功能需求進行，但劃分應(yīng)遵循以下基本原則：

(1)各模塊相對獨立，功能集中，易于實現(xiàn)。

(2)模塊間接邏輯關(guān)系明確，接口簡單，連線少。自頂向下的設(shè)計方法從系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)向下，逐步求精，由高層模塊定義下層模塊的功能和接口，易于對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和行為特性進行控制。其次，劃分后的每個子系統(tǒng)/模塊相互獨立，一方面便于多個設(shè)計者同時進行設(shè)計，對設(shè)計任務(wù)合理分配，用系統(tǒng)工程的方法對設(shè)計進行管理；另一方面，當(dāng)設(shè)計不能滿足某一方面的要求時，也便于將修改過程定位于某些具體的模塊，若保持模塊間的接口方式不變，則這種修改不會影響到其他電路模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，因此能夠大大地縮短系統(tǒng)設(shè)計周期。模塊的合理劃分是設(shè)計的核心所在。

自頂向下設(shè)計方法的缺點是劃分后的基本模塊往往不標(biāo)準(zhǔn)，制造成本可能很高，而自底向上的方法采用標(biāo)準(zhǔn)單元，較為經(jīng)濟，但可能不能滿足一些特定指標(biāo)的要求。復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計過程常采用這兩種方法的結(jié)合，以綜合平衡多個目標(biāo)。

2.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計流程

數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)品通常由一塊或多塊印刷電路板(PrintedCircuitBoard，PCB)構(gòu)成。一個典型例子是微型計算機的主機板，它將多個用于實現(xiàn)邏輯功能的集成電路芯片以及一些其他的部件安裝于電路板上，通過電路板的布線構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。自頂向下的數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的一般流程如下：

(1)明確設(shè)計要求，確定系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。

(2)將系統(tǒng)劃分為多個功能相互獨立的子系統(tǒng)/模塊。

(3)選擇芯片，獨立設(shè)計各個子系統(tǒng)/模塊。

(4)定義各子系統(tǒng)/模塊間的互連線路，將所有模塊組合成完整系統(tǒng)。

(5)對設(shè)計完成的電路進行功能仿真，檢測其邏輯功能是否正確。

(6)進行電路板的物理設(shè)計，包括確定電路板上每個芯片的物理位置、芯片之間的相互連接模式等。

(7)對物理映射后的電路進行時序仿真。

(8)制作原型板、測試及投產(chǎn)。1.3.1硬件描述語言HDL

1.硬件描述語言的概念

硬件描述語言HDL(HardwareDescriptionLanguage)是一種以文本形式描述數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)的語言。1.3EDA技術(shù)基礎(chǔ)

2.VHDL與Verilog

VHDL的首字母V是英文縮寫VHSIC(VeryHighSpeedIntegratedCircuit)的第一個字母，因此，其中文翻譯應(yīng)為甚高速集成電路硬件描述語言(VHSICHardwareDescriptionLanguage)。

Verilog于1983年初創(chuàng)于GDA(GatewayDesignAutomation)公司。

3.使用Verilog設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)點

1)自頂向下的分層次設(shè)計

2)方便簡單的設(shè)計輸入

3)電路和系統(tǒng)設(shè)計的兼容性

4)成熟電路模塊的共享和可重用性1.3.2EDA軟件開發(fā)工具

1.設(shè)計輸入

1)原理圖輸入

2)HDL輸入

2.綜合與優(yōu)化

3.目標(biāo)芯片布局布線/適配

4.編程/下載

5.功能仿真與時序仿真1.3.3EDA芯片的設(shè)計開發(fā)流程

在EDA軟件工具的支持下，PLD芯片的設(shè)計開發(fā)流程可以用圖1.3.1表示。圖1.3.1EDA芯片設(shè)計與開發(fā)流程

1.舉出幾個日常生活中用到的數(shù)字系統(tǒng)的例子。

2.解釋下列術(shù)語：

VLSIPLDPCBEDAHDL

3.什么是數(shù)字信號？如果用高電平表示1，低電平表示0，試畫出表示數(shù)字量01001101的數(shù)字信號。習(xí)題

4.集成度指什么？按集成度，集成電路可分為哪些類別？

5.數(shù)字系統(tǒng)中控制電路的作用是什么？

6.基于半定制芯片的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計