数字系统设计技术
高级数字系统设计
高级数字系统设计数字系统已经成为现代社会中不可或缺的一部分，广泛应用于通信、计算机、工业自动化等领域。
随着科技的不断发展，人们对数字系统的要求也变得越来越高。
高级数字系统设计是为了满足这一需求而产生的，它在传统数字系统设计的基础上进行了进一步的优化和改进，以提高系统性能、降低功耗和增强可重构性。
1. 引言高级数字系统设计在数字系统领域具有重要的地位和作用。
本文将介绍高级数字系统设计的基本概念、原理和应用。
2. 高级数字系统设计的基本概念2.1 可编程逻辑器件（PLD）和可编程门阵列（GAL）可编程逻辑器件和可编程门阵列是高级数字系统设计中常用的硬件实现工具。
它们可以根据用户的要求进行编程，实现不同的逻辑功能。
2.2 时序分析与优化时序分析与优化是高级数字系统设计中的关键技术之一。
通过对时序进行准确的分析和优化，可以提高系统的稳定性和性能。
2.3 高级综合技术高级综合技术是将高级程序设计语言（如C、C++等）转化为硬件逻辑的过程。
它能够提高设计效率，缩短设计周期。
3. 高级数字系统设计的原理3.1 并行性与流水线技术并行性和流水线技术是高级数字系统设计中的重要原理。
通过合理地设计并行结构和流水线，可以提高系统的运行速度和效率。
3.2 分布式处理与多核技术分布式处理与多核技术是高级数字系统设计中常用的原理。
它们可以将任务分配给多个处理核心并行处理，提高系统的处理能力和性能。
3.3 管脚分组与布线规划管脚分组和布线规划是高级数字系统设计中的重要原理。
通过合理地进行管脚分组和布线规划，可以减少信号干扰，提高系统的可靠性和可重构性。
4. 高级数字系统设计的应用4.1 通信系统高级数字系统设计在通信系统中具有广泛的应用。
通过合理地设计和优化，可以提高通信系统的传输速率和数据处理能力。
4.2 计算机系统高级数字系统设计在计算机系统中也具有重要的应用。
它可以提高计算机的运算速度和存储容量，提升系统的整体性能。
4.3 工业自动化高级数字系统设计在工业自动化领域的应用也逐渐增多。
数字系统设计知识点
数字系统设计知识点数字系统设计是计算机工程和电子工程中的重要内容，涵盖了多种关键概念和技术。
本文将介绍数字系统设计的一些基础知识点，包括数字系统的基本原理、数字电路的构建和设计、以及数字系统中常见的编码和调制技术。
一、数字系统的基本原理数字系统是由数字电路组成的，其中的信息以二进制形式表示。
数字电路由数字逻辑门组成，可以执行布尔运算。
数字系统的基本原理包括以下几个关键概念：1. 二进制系统：数字系统采用二进制表示，即使用0和1来表示逻辑状态。
二进制是一种计数系统，它只使用两个数字来表示所有的值。
2. 布尔代数：布尔代数是描述和操作逻辑关系的一种数学工具。
它基于三个基本运算：与、或和非。
布尔代数可以用于设计和分析数字逻辑电路。
3. 逻辑门：逻辑门是数字电路的基本构件，用于执行逻辑运算。
常见的逻辑门包括与门、或门、非门等。
通过组合逻辑门可以构建复杂的数字电路。
二、数字电路的构建和设计数字电路是数字系统的基础，它由逻辑门和触发器等元件组成。
数字电路的构建和设计需要考虑以下几个因素：1. 逻辑门的组合与实现：通过组合不同类型的逻辑门可以实现多种逻辑功能。
例如，与门和或门的组合可以实现任意布尔函数。
设计者需要根据具体需求选择适当的逻辑门组合。
2. 状态机设计：状态机是一种具有离散状态的数字电路。
它由状态寄存器、组合逻辑和输出逻辑组成。
设计者需要根据系统需求定义状态和转移条件，然后选择适当的触发器和逻辑门实现状态机。
3. 模时序系统设计：模时序系统是一种具有时序行为的数字电路。
它由触发器和组合逻辑构成，可以实现时序逻辑功能。
设计者需要考虑时钟信号、触发器类型和时序逻辑的实现方式。
三、编码和调制技术在数字系统设计中，编码和调制是常用的技术，用于将信息从一种形式转换成另一种形式。
1. 数字编码：数字编码用于将数字或字符等信息转换为二进制形式。
常见的数字编码包括BCD码、格雷码和ASCII码等。
不同的编码方式可以适用于不同的应用场景。
第1章数字系统设计与EDA技术
更适于描述大规模的系统 在抽象的层次上描述系统的结构与功能
采用HDL的优点：
语言的公开可利用性 设计与工艺的无关性 宽范围的描述能力——系统级、算法级、RTL级、门级、开关级
便于组织大规模系统的设计 便于设计的复用、交流、保存与修改
19
1.2 EDA技术与PLD
（2）高层综合和优化 支持系统级的综合与优化。 综合：通过EDA工具把用HDL语言描述的模块自动转换为用门级 电路网表表示的模块，即将电路映射到器件的专用基本结构。 优化：采用优化算法，将设计简化，去除冗余项，提高系统运行 速度。 （3）并行工程
摩尔定律（Moore’s law）：每18个月
，芯片集成度提高1倍，功耗下降一半。
8
1.1 数字系统的设计 3. 数字器件的发展
SSIC→MSIC →LSIC →VLSIC →SOC（System On Chip片上系统） →SOPC（System On a Programmable Chip，可编程片上系统）
20
1.2 EDA技术与PLD
4．EDA技术的范畴和应用 可分为系统级、门级和物理实现级三个层次的辅助设计过程 涵盖了从系统级设计到版图设计的全过程，涉及电子电路设 计的各个领域： 本课程内容 IC版图设计 PLD开发 电路（原理）设计 • 模拟电路 • 数字电路 • 混合电路 • 高速电路 PCB板设计
21
1.2 EDA技术与PLD
5．EDA技术发展的现状
EDA技术在进入21世纪后，得到了更大的发展，突出表现在以下几 个方面： 使电子设计成果以自主知识产权的方式得以明确表达和确认成 为可能； 在设计和仿真两方面支持标准硬件描述语言的功能强大的EDA 软件不断推出。 电子技术全方位纳入EDA领域； EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊，更加互为包容； 更大规模的FPGA和CPLD器件不断推出； 基于EDA工具的ASIC设计标准单元已涵盖大规模电子系统及IP 核模块； 软硬件IP核在电子行业的产业领域、技术领域和设计应用领域 得到进一步确认； SoC高效低成本设计技术的成熟。
数字控制系统的基本原理与设计方法
数字控制系统的基本原理与设计方法数字控制系统（Digital Control System）是一种通过数字处理器来实现系统控制的技术。
它可以对运动、压力、温度等物理量进行精确的测量和控制，具有精准性高、稳定性好、适应性强等优点。
本文将介绍数字控制系统的基本原理和设计方法。
一、数字控制系统的基本原理数字控制系统的基本原理是将输入量（Input）通过传感器采集后，经过模数转换器（A/D Converter）转换为数字量，然后经过数字信号处理器（DSP）进行运算和控制处理，最后通过数模转换器（D/A Converter）将控制信号转换为模拟量输出，从而实现对被控物理量的精确控制。
在数字控制系统中，传感器起到了关键作用。
传感器能够将被测量的物理量转换为电信号，例如压力传感器、温度传感器等。
这些传感器的输出信号需要经过模数转换器将其转换为数字信号，以便数字信号处理器进行处理。
数字信号处理器是数字控制系统的核心部件，它能够对输入信号进行滤波、运算、控制等处理。
通过数字信号处理器，可以实现对控制系统的闭环控制，将被控对象的实际输出与期望输出进行比较，进而调整控制信号，使系统输出达到预期。
二、数字控制系统的设计方法1. 系统建模与参数估计在设计数字控制系统之前，需要对被控对象进行建模和参数估计。
通过数学模型可以描述被控对象的动态特性，参数估计可以获得模型参数的数值。
常用的建模方法有传递函数、状态空间法等。
2. 控制器设计控制器是数字控制系统的关键组成部分，它的设计直接影响控制系统的性能。
常用的控制器设计方法有比例-积分-微分（PID）控制器、模糊逻辑控制器、自适应控制器等。
在设计控制器时，需要考虑到系统的稳定性、快速响应、抗干扰能力等因素。
3. 信号采样与重构在数字控制系统中，输入信号需要进行采样和重构。
采样是指将连续时间信号转换为离散时间信号，常用的采样方法有脉冲采样、均匀采样等。
重构是指通过采样得到的离散时间信号，再恢复为连续时间信号。
数字系统的设计方法PPT共30页
⑶. 同步和异步电路的选择 在设计时应尽可能采用同步电路设计，避免
使用异步电路。
⑷. 最优化设计
由于PLD的逻辑资源、连线资源和I/O资源是 有限的，器件的速度和性能也是有限的，因此系 统设计要考虑最优化。
两个约束条件：边界条件、最优化目标。 边界条件：指器件的资源和性能限制。 最优化目标： 器件资源利用率最高。
仿真结果：
2. 多路数据选择器/多路分配器：
16选4多路数据选择器
S1 S0
00 01 10 11
Y0 Y1 Y2 Y3
a0 a1 a2 a3 b0 b1 b2 b3 c0 c1 c2 c3 d0 d1 d2 d3
输入信号： a0~a3,b0~b3, c0~c3,d0~d3
选择信号： S1,S0
数字系统的设计方法
怎样思想，就有怎样的生活
第五讲：数字系统设计方法
3. 设计准则
⑴. 分割准则：
• 分割后最底层的模块应适合用逻辑语言进 行表达。 • 相似的功能应尽量设计成共享模块，以减 少重复设计，提高设计效率。 • 接口信号线最少：以交互信号线最少的地 方为边界划分模块。 • 结构匀称。 • 通用性好，易于移植。
⑵. 系统的可观测性 系统的可观测性问题是指：在系统设计中，
应同时考虑功能检查和性能测试。
在系统设计的同时设计观测电路（即：观测 器），将系统内部的重要信号引向器件管脚输出， 供外部测试。
一般可将系统的关键点信号，以及具有代表 性的节点和线路上的信号，引向器件管脚输出， 供外部测试。如：时钟、同步信号等。
系统工作速度最快，延时最小。 布线最容易，即可实现性最强。
二、组合逻辑电路设计
1. 4 bits 格雷码/二进制码变换器：
数字系统设计.pdf
PLD设计——CPLD与FPGA的区别
规模
CPLD规模一般比FPGA小，最多512个宏单元；FPGA则可以实现单片 1000万门。
速度
CPLD的速度可以比FPGA更高，其连线的延时固定，更适合做高速的应 用；FPGA的互连线为多段，延时不确定。
逻辑特点 CPLD适合做逻辑密集型的应用，FPGA适合做数据密集型的应用。 编程方式
ALTERA
XILINX
FPGA/CPLD生产商
ispLSI系列：1K、2K、3K、5K、8K ispLSI1016 、ispLSI2032、 ispLSI1032E、ispLSI3256A MACH系列 ispPAC系列：
LATTICE VANTIS （AMD）
CPLD
其他PLD公司： ACTEL公司： ACT1/2/3、40MX ATMEL公司：ATF1500AS系列、40MX CYPRESS公司 QUIKLOGIC公司
数字系统分类
数字系统本身实现的方法很多，一般来说，可以分为 以下几种方法： PLD（可编程逻辑器件） MCU（单片机） DSP（数字信号处理器） Embedded System（嵌入式系统） 以上几种设计方法的应用场合不同，设计方法也大 不相同，应该根据不同的应用场合、成本和设计的 难度来决定使用合适的设计方法。
SO MUCH IC！
FPGA CPLD
PLD设计——PLD设计的流程
设计输入
原理图 硬件设计语言
功能仿真
验证逻辑是否正确
综合
将原理图或者硬件描述语言翻译为网表。
时序仿真
加载器件延时文件后的仿真，验证在器 件上实现后的实际性能。
不同数字系统的应用场合（4）
Embedded System（嵌入式系统）
verilog数字系统设计教程
verilog数字系统设计教程Verilog数字系统设计教程作者：XXX引言：数字系统设计是现代电子工程中非常重要的一部分。
Verilog作为一种硬件描述语言，提供了一种方便且专业的方法来设计和描述数字系统。
本教程旨在为初学者提供关于Verilog数字系统设计的详细介绍和指导。
1. Verilog简介Verilog作为一种硬件描述语言，用于描述数字系统的功能、结构和时序行为。
它类似于C语言，但更专注于硬件级别。
Verilog可以用于设计各种数字系统，例如处理器、嵌入式系统、通信设备等。
2. Verilog基本语法2.1 模块定义Verilog的基本单位是模块。
模块是数字系统的基本组成部分，可以看作是一个独立的功能单元。
模块可以包含输入、输出、内部信号以及其它子模块等。
2.2 信号声明在Verilog中，可以声明各种类型的信号，包括输入信号、输出信号和内部信号等。
信号声明定义了信号的类型、宽度和方向。
3. Verilog建模3.1 组合逻辑建模组合逻辑是数字系统中最基本的部分。
Verilog提供了各种组合逻辑建模的方法，包括逻辑运算、选择结构和多路复用器等。
3.2 时序逻辑建模时序逻辑是数字系统中需要考虑时序关系的部分。
Verilog提供了时序逻辑建模的方法，包括触发器、计数器和时序控制等。
4. Verilog仿真4.1 仿真器介绍仿真器是用于验证数字系统设计的工具。
Verilog可以与各种仿真器配合使用，用于验证设计的正确性和性能。
4.2 仿真流程仿真流程包括编写测试平台和测试用例、编译和仿真等步骤。
本节将介绍基本的仿真流程和相关技巧。
5. Verilog综合5.1 综合概述综合是将Verilog代码转换为逻辑门级描述的过程。
综合器通过将Verilog代码映射到实际的硬件库中，生成能够实现指定功能的逻辑电路。
5.2 综合流程综合流程包括综合前的优化和综合本身两个阶段。
本节将介绍综合的基本流程和主要考虑因素。
数字系统高级设计技术(第4讲)
流水线乘法器的结构图
对应的Verilog HDL代码
并行和流水线
--流水线设计
module top( input [7:0] a, input [7:0] b, input clk, output reg [15:0] y );
reg [7:0] a1,b1; reg [15:0] prod,prod1;
由此可见，在不提高系统运行频率的情况下，提高流水线
的级数将成倍地提高系统处理的效能。但是流水线的设计
也是有一定的限制的：
只有对那些能分成n个步骤完成，并且对每个步骤都需要固定相 同处理时间的操作来说才能采用流水线设计；
受硬件资源的限制，流水线的级数是有限制的； 对于存在处理分支预测流水线的设计（广泛应用于微处理器的设
采用流水线后，数据通道将会变成多时钟周期，所以要特别考虑 设计的其余部分，解决增加通路带来的延迟。
并行和流水线
--流水线设计
流水线基本结构是将适当划分的N个操作步骤串连起来。
流水线操作的最大特点是数据流在各个步骤的处理，从时间上看 是连续的；
其操作的关键在于时序设计的合理安排、前后级接口间数据的匹 配。如果前级操作的时间等于后级操作的时间，直接输入即可；
input [7:0] b2,
input [7:0] a3,
input [7:0] b3, output [17:0] y
对应的并行乘法器结构
);
assign y=a0*b0+a1*b1+a2*b2+a3*b3;
endmodule
并行和流水线 --并行设计
下图给出了实现该功能的并行结构。
通过使用多个乘法器，使得四个乘法运算可以同时进行。 但是这种速度的提高是以面积为代价的。
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《数字系统设计技术》实验报告专业：电子信息技术（物联网）班级：物联网（1121）姓名：Erin 徐学号：1132106128实验一：一位全加器设计一、 实验目的熟悉QuartusII 软件的使用，学会用原理图输入法设计逻辑电路，进一步巩固全加器原理及其EDA 实现。
二、 一位全加器原理电路示意图如下所示：A 、B 、Sum 均为四位矢量信号。
Sum i =A i ⊕i i Co i =A i B i +(A i +B i )Ci i三、 设计过程与步骤在D 盘建立了一个EDA 文件夹，在EDA 里新建了本次试验的adder 文件夹，打开quartus 软件后在file 里面进入new project wizard ，输入D 盘EDA ，adder 的路径，取名。
后打开新建verilog hdl file ，编写程序，后运行。
成功之后，在打开新建，选择other files 中的vector waveform file 。
之后在当前界面双击，点击node finder 在list 里面选中输入和输出的对应符号，即：a ，b ，sum ，ci ，co 。
确定之后，修改输入的相应数值，进行仿真。
再自己计算验证仿真的正确性。
CoSum四、仿真结果五、实验总结在实验之前对这个quartus软件还不是很熟悉，在正式实验之前，摸索过怎么建立文件等等之后慢慢开始熟悉了的。
一开始的时候程序还不会编译，查找了数字电路书后，对全加器的原理进行了理解后再动手的。
在编写程序时参照了老师上课讲的题，运行之后有很多问题出现，比如第一行一直提示出错，后来经过琢磨发现是命名的问题。
运行好之后再进行仿真。
对输入的a，b，ci进行数据调整。
之后结果就有了。
总的来说这个过程还是比较简单的。
实验二：数值比较器设计一、 实验目的巩固QuartusII 软件的使用，熟悉Verilog HDL 程序结构，学会用文本输入法设计逻辑电路。
二、 数值比较器原理根据两位二进制数的大小得到对应的比较结果，其电路示意图及电路特性表为： 比较器电路示意图 比较器特性表三、 程序module compare(y,a,b); input[1:0]a,b; output y;assign y=(a==b)?1:0; endmodule四、 仿真结果五、实验总结这个实验比较简单，就进行了两位二进制数比较，关键语句就是其中的assign 语句。
在进行仿真时改变了一下其中的初始值，周期，使得a和b有相等和不等的时候，保存，运行出结果。
实验三：四选一数据选择器设计一、实验目的掌握Verilog语言中的case语句、if-else语句。
二、四选一数据选择器原理电路功能表及其电路图如下：电路功能表三、程序module sixuanyi(y,D0,D1,D2,D3,A1,A0);output y;input D0,D1,D2,D3,A1,A0;reg y;always@(A1 or A0 or D0 or D1 or D2 or D3 )begincase({A1,A0})2'b00:y=D0;2'b01:y=D1;2'b10:y=D2;2'b11:y=D3;default:y=1'bx;endcaseendendmodule四、仿真结果五、实验总结这个实验相比之前的实验复杂了一点，在设计程序时就遇到了很多问题，关于reg，always，还有case语句还不太熟悉，后来参照了之前课堂上老师讲述时做的笔记，再加以和同学讨论终于运行出来了。
在进行仿真时，我把A1排在A0之前，D0到D3按顺序排列，输出y放在最下，这样方便查看和检验。
我对照真值表，改变了输入变量A1,A0,D0到D3的初始值，周期，保存运行后得出了结果。
再根据真值表进行核对。
实验四：8/3优先编码器设计一、 实验目的掌握VerilogHDL 语言中的if 条件语句和always 模块的使用。
二、8/3优先编码器原理电路功能表及其电路图如下：电路功能表三、 程序module bianmaqi(s,i0,i1,i2,i3,i4,i5,i6,i7,y0,y1,y2); input s,i0,i1,i2,i3,i4,i5,i6,i7; output y0,y1,y2; reg[2:0]y;assign{y2,y1,y0}=y;always@(s or i0 or i1 or i2 or i3 or i4 or i5 or i6 or i7) beginif(s) y=3'b000;else if(!i7) y=3'b000; else if(!i6) y=3'b001; else if(!i5) y=3'b010; else if(!i4) y=3'b011; else if(!i3) y=3'b100; else if(!i2) y=3'b101; else if(!i1) y=3'b110; else if(!i0) y=3'b111; else y=3'b000; endI 0I 1I 2I 3I 4I 5I 6I 7Y 2Y 1Y 011111111111X X X X X X X 0000X X X X X X 01001X X X X X 011010X X X X 0111011X X X 01111100X X 011111101X 011111111001111111111输出I 3I 4I 5I 6I 7I 0I 1I 2012endmodule四、仿真结果五、实验总结在编程之前我参考了数字电路书，了解了8/3编码器的相关知识，再根据老师上课时记录的笔记进行编译，但是屡次失败，后来我换成了if-else的形式，根据真值表进行编译便成功了，我觉得最主要的还是写出真值表然后表达出来。
然后进行仿真，根据程序对i0到i7进行赋值，变得出了结果。
实验五：十六进制加/减可逆计数器设计一、实验目的练习时序逻辑电路的Verilog实现。
二、实验要求实现一个具有加减可逆计数功能的十六进制计数器，用一位控制信号，控制加/减两种计数模式。
三、程序module counter(rst,clk,q,m);input rst,clk,m;output[3:0] q;reg[3:0]q;always@(posedge clk)if(!rst)q<=0;else if(m==0)if(q==15)q<=0;else q<=q+1;else if(m==1)if(q==0)q<=15;else q<=q-1;endmodule四、仿真结果加法：减法：五、实验总结关于加减的程序老师在课上其实已经提到过很多了，定义好reg型变量q，运用always，if-else语句进行编译，整个过程基本上很顺利。
运行成功后进行仿真，要注意的是Rst不能为0，否则q都为0了，所以在m为1或0时rst都为1。
M 为0时做加法，m为1时做减法。
实验六：四位抢答器设计一、实验目的练习用QuartusII软件设计具有一定复杂度和实际意义的功能电路。
二、四位抢答器原理1.功能描述4人电子优先抢答器可同时供4位选手或者4个代表队参加比赛，分别用paler1、player2、player3、player4表示。
节目主持人设置一个复位按键clear，用来控制系统的清零，使编号数码管灯清零。
抢答器具有锁存和显示功能，能够显示那位选手获得抢答，并能够显示处理具体选手的号码，同时能够屏蔽别的选手再选择按钮信号。
在选手回答问题的时候给出时间限制，在规定时间到达时候报警，主持人然后按键清零，一次抢答结束。
2.设计思路与实现在本设计中，共四位选手，即四个输入信号，我们考虑到优先原则，所以引用一个标志状态变量，当这个标志变化为“1”的时候，说明有选手已经抢答，则对其它选手输入信号进行屏蔽，然后锁存这个选手的编号并显示。
设计中回答问题限制时间是99秒，采用两个数码管显示，计数采用BCD码输出。
三、程序module qiangdaqi(clk,clear,player,count_time,result,alert,flag);//四人抢答器设计input clk,clear;//clk用于计时，clear用于主持人将抢答器复位input[3:0] player;//四位选手output[7:0]count_time;//共8位宽度,驱动两个数码管,用于回答时间显示output[3:0] result;//用于抢答结果显示output alert;//计时结束报警,当为1的时候报警output flag;//其中有选手已经抢答就报警reg flag;//寄存器变量，留给任何一位获得抢答获胜者reg[7:0] count;//为了计时99秒,分两个数码管，reg[3:0] result;//显示哪位选手按键reg alert;assign count_time=count;//让计时显示always @(player or clear)//抢答器处理模块beginif(clear)beginif(!flag)//为了屏蔽其它的选手begincase(player)1:beginflag=1;result=4'b0001;//显示第一位选手获得抢答 end2:beginflag=1;result=4'b0010;//显示第二位选手获得抢答 end4:beginflag=1;result=4'b0011;//显示第三位选手获得抢答 end8:beginflag=1;result=4'b0100;//显示第四位选手获得抢答 enddefault:result=4'b0000;endcaseendendelsebeginflag=0;result=4'b0000;endendalways @(posedge clk)//回答时间计数beginif(flag)beginif(!alert)//防止在报警后再计数beginif(count>0)beginif(count[3:0]==0)//先考虑减到0没有？begincount[3:0]=4'b1001;//如果低位减到0，则置位成9 count[7:4]=count[7:4]-1;//如果减到零高位减一endelsecount[3:0]=count[3:0]-1;endelsebeginalert=1;//倒计时到0报警count=8'b10011001;endendendelsebeginalert=0;count=8'b10011001;endendendmodule四、仿真结果五、实验总结这个实验比较困难，程序是老师给的，我就进行了仿真。