现代数字系统设计(本科)第1章
数字逻辑电路设计-(王毓银)讲义.PPT第一章
an1 2n1 an2 2n2 a1 21 a0 20
a1 21 a2 22 am 2m
n1
ai
1.1.2 数制及其转换
小数部分的转换步骤如下： 将小数部分逐次乘以R，取乘 积的整数部分作为R进制的各有关数位，乘积的小数部分 继续乘以R，直至最后乘积为0或达到一定的精度为止。
例4：求（0.3125）10 =（
）2
解： 0.3125 × 2 = 0.625 ……整数为0 b-1
0.625 × 2 = 1.25 ……整数为1 b-2
3基数r为2k各进制之间的互相转换由于3位二进制数构成1位八进制数4位二进制数构成1位十六进制数以二进制数为桥梁即可方便地完成基数r为2k各进制之间的互相转换
西安邮电学院“校级优秀课程”
数字电路与逻辑设计
第一章 绪 论
第一章 绪 论
目的与要求：
1、正确理解一些有关数字电路的基本概念； 2、常用数制数的表示以及它们之间的转换； 3、掌握数字系统中常用的几种BCD码。
1.1.2 数制及其转换
例6：将十进制小数（0.39）10 转换成八进制数， 要求精度达到0.1% 。
解：要求精度达到0.1% ，因为1/83 < 1/1000 < 1/84， 所以需要精确到八进制小数4位。 0.39 × 8 = 3.12 ……整数为3 b-1=3 0.12 × 8 = 0.96 ……整数为0 b-2=0 0.96 × 8 = 7.68 ……整数为7 b-3=7 0.68 × 8 = 5.44 ……整数为5 b-4=5 所以（0.39）10 =（0.3075）8
第一章从算法到实现线路
第一章数字信号处理、计算、程序、算法和硬线逻辑的基本概念引言：现代计算机与通讯系统电子设备中广泛使用了数字信号处理专用集成电路，它们主要用于数字信号传输中所必需的滤波、变换、加密、解密、编码、解码、纠检错、压缩、解压缩等操作。
这些处理工作从本质上说都是数学运算。
从原则上讲，它们完全可以用计算机或微处理器来完成。
这就是为什么我们常用C、Pascal或汇编语言来编写程序，以研究算法的合理性和有效性的道理。
在数字信号处理的领域内有相当大的一部分工作是可以事后处理的。
我们可以利用通用的计算机系统来处理这类问题。
如在石油地质调查中，我们通过钻探和一系列的爆破，记录下各种地层的回波数据，然后用计算机对这些数据进行处理，去除噪声等无用信息，最后我们可以得到地层的构造，从而找到埋藏的石油。
因为地层不会在几年内有明显的变化，因此花几十天的时间把地层的构造分析清楚也能满足要求。
这种类型的数字信号处理是非实时的，用通用的计算机就能满足需要。
还有一类数字信号处理必须在规定的时间内完成，如在军用无线通信系统和机载雷达系统中我们常常需要对检测到的微弱信号增强、加密、编码、压缩，在接收端必须及时地解压缩、解码和解密并重现清晰的信号。
我们很难想象用一个通用的计算机系统来完成这项工作，因此，我们不得不自行设计非常轻便小巧的高速专用硬件系统来完成该任务。
有的数字信号处理对时间的要求非常苛刻，以至于用高速的通用微处理器芯片也无法在规定的时间内完成必须的运算。
我们必须为这样的运算设计专用的硬线逻辑电路，这可以在高速FPGA器件上实现或制成高速专用集成电路。
这是因为通用微处理器芯片是为一般目的而设计的，运算的步骤必须通过程序编译后生成的机器码指令加载到存贮器中，然后在微处理器芯片控制下，按时钟的节拍，逐条取出指令、分析指令，然后执行指令，直至程序的结束。
微处理器芯片中的内部总线和运算部件也是为通用的目的而设计，即使是专为信号处理而设计的通用微处理器，因为它的通用性，也不可能为某一个特殊的算法来设计一系列的专用的运算电路，而且其内部总线的宽度也不能随意改变，只有通过改变程序，才能实现这个特殊的算法。
兰州大学 计算机专业(本科) 计算机体系结构 教学标准
兰州大学计算机科学与技术专业(本科)《计算机体系结构》教学标准目录一. 课程基本信息二. 课程的性质、地位与任务三. 教材与主要参考书四. 计划学时与学时分配五. 课程内容与要求第 1 章计算机设计基础第 2 章指令集的设计第 3 章CPU 的设计第 4 章流水线技术第 5 章存储器层次结构第 6 章计算机输入/输出系统第7 章网络并行计算系统第8 章多处理器计算机结构六. 教学环节七. 实验环节八. 考试要求九. 其它相关说明一. 课程基本信息课程编号：2043061课程名称：计算机体系结构课程英文名称：Computer Architecture课程性质：指定选修课先修课程：数字逻辑；计算机组成原理；概率论与统计；数据结构；操作系统；编译原理。
适用专业：计算机科学与技术专业、通信工程专业开课学期：第七学期学时：72（54）学分：4（3）二. 课程的性质、地位与任务计算机系统结构是计算机科学与技术领域的重要学科，也是高等院校计算机系本科生和研究生学习设计、分析和评价计算机的主干课程。
许多著名的院校作为研究生入学考试课程之一。
该课程以讲授计算机系统结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系统结构，即不是以具体的机器为实例进行教学。
在教学中引进定量原理，让学生学会如何测试实际机器，分析实际机器，分析计算机设计中遇到的各种限制因素，培养正确选择各种折衷方案的能力。
强调计算机系统结构与操作系统和编译系统的相互关系，充分反映出计算机系统结构不是单纯的硬件课程，而是硬件和系统软件的结合点，因此本课程不仅适用于培养系统结构和芯片设计工程师和计算机系统工程师，而且也适用于培养编译系统和操作系统工程师。
三. 教材与主要参考书1.教材：《计算机体系结构》石教英等著杭州:浙江大学出版社,1998[1版].2.参考书：①《计算机系统结构—量化研究方法》（第三版）(美)J ohn L.H e nn e ss y D av i dA.P a tt e r s on著郑伟明、汤志忠、汪东升译电子工业出版社,2004[1版].②《高级计算机体系结构》(美)K a i H w a ng著ADVANCED COMPUTER ARCHITECTURE 机械工业出版社,1999[1版].③《计算机系统结构》郑伟民、汤志忠著清华大学出版社,1998[2 版].④《计算机系统结构》李学干著西安电子科技大学出版社,2000[3 版].⑤《计算机体系结构》张晟曦著高等教育出版社,2000[3 版].[21 世纪教材]四.计划学时与学时分配1.教学建议《计算机体系结构》课程分经典教案面授和电子教案面授两种。
第一章_EDA概述
EDA技术的相关网址：
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EDA技术实用教程
第1章
概
述
1.1 EDA技术及其发展
什么是EDA? Electronic Design Automation
即：电子设计自动化
本质：EDA技术是利用硬件描述语言和EDA 软件来完成对系统硬件功能的实现。
SOPC： SYSTEM ON A PROGAMMABLE CHIP
1.2 EDA技术实现目标
SOPC
USB控制器 嵌入式ROM 通用I/O口 RS232
应用系统
大规模FPGA
嵌入式Bios
固体硬盘
UART FIFO
Flash ROM
内存
嵌入式RAM
立体声输 出接口 图象或语音 采样接口
CAN控制器
2）计算机辅助工程设计CAE阶段 20世纪80年代初，出现了低密度的可编程逻 辑器件：PAL-Programmable Array Logic（可编 程阵列逻辑）和 GAL-Generic Array Logic（通 用阵列逻辑，可重复编程),相应的EDA开发工具主 要解决电路设计没有完成之前的功能检测等问题。 80年代后期，EDA设计工具已经可以进行初级 的设计描述、综合、优化和设计结果验证。
1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系
统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即 IEEE标准的1076-1993版本，（简称93版）。 VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接 口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形
式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。
EDA技术的发展的三个阶段：
3）电子设计自动化（ EDA）阶段 20世纪90年代，可编程逻辑器件迅速发展， 出现功能强大的全线EDA工具。具有较强抽象描述 能力的硬件描述语言（VHDL-全名为VHSIC (VeryHigh-Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language、Verilog HDL）及高性能 综合工具的使用，使过去单功能电子产品开发转 向系统级电子产品开发（SOC _System On a Chip: 单片系统、或片上系统集成） 开始实现“概念驱动工程”（Concept Driver Engineering, CDE）的梦想。
第1章cpld学习教程
二、未来EDA技术
l EDA技术将向广度和深度两个方向发展，EDA将会超 越 电 子 设 计 的 范 畴 进 入 其 他 领 域 ， 随 着 基 于 EDA 的 SOC设计技术的发展，软硬核功能库的建立，IP核复 用（IP Reuse），以及基于VHDL所谓自顶向下设计 理念的确立，未来的电子系统的设计与规划将不再是 电子工程师们的专利。有专家认为，21世纪将是EDA 技术快速发展的时期，并且EDA技术将是对21世纪产 生重大影响的十大技术之一。当前，EDA的主要应用 方向为微控制器（Microcontroller）、ASIC和DSP等 方面。
l 2. 高层综合（HLS，High Level Synthesis）的理论与 方法取得进展，从而将EDA设计层次由RT级提高到了 系统级（又称行为级）。设计者逐步从使用硬件转向 设计硬件，
l 3. 提供独立于工艺和厂家的系统级设计能力，具有高 级抽象的设计构思手段。
l 例如：提供方框图、状态图和流程图的编辑能力，具 有适合层次描述和混合信号描述的硬件描述语言 （VHDL、AHDL或Verilog－HDL），同时含有各种 工艺的标准元件库。
二、未来EDA技术 l 1.数字逻辑向模拟电路和数模混合电路的方
向发展 l 2.工艺方面 l 3.等效逻辑门数 l 4.工作电压 l 5.时钟频率
第1章cpld学习教程
二、未来EDA技术
l 到2005年，密度将达到1×104万门。可编程模 拟器件已开始应用于实际工程。随着芯片集成 度的增大，单个芯片内集成了通用微控制器/微 处理器核心（MCU/MPUCore）、专用数字信 号 处 理 器 核 心 （ DSPCore ） 、 存 储 器 核 心 （MemoryCore）、嵌入式软件/硬件、数字和 模拟混合器件、RF处理器等，并且EDA与上 述器件间的物理与功能界限已日益模糊。
第1章_逻辑代数的基础知识
（1-7）
概述
一、 数字信号和模拟信号
模拟信号：在时间和幅值上均是连续变化的信号， 即时间上的连续，量上的连续的信号。如水位，电压， 电流，温度，亮度，颜色等。在自然环境下，大多数 物理信号都是模拟量。如温度是一个模拟量，某一天 的温度在不同时间的变化情况就是一条光滑、连续的 曲线：
(2AE.4)16＝2×162＋10×161＋14×160＋4×16－1＝(686.25)10
把各个非十进制数按权展开求和即可。
（1-17）
2、十进制数转换成二进制数：
十进制数转换成二进制数时，将整数部分和小数 部分分别进行转换。整数部分采用除2取余法转换， 小数部分采用乘2取整法转换。转换后再合并。 除2取余法：将十进制整数N除以2，取余数记为 K0；再将所得商除以2，取余数记为K1依此类推，直 至商为0，取余数记为Kn－1为止。即可得到与N对 应的n位二进制整数Kn－1 · · · · · ·K1 K0。 乘2取整法：将十进制小数N乘以2，取整数部分 记为K－1；再将其小数部分乘以2，取整数部分记为 K－2 ； · · · · · · 依此类推，直至其小数部分为0或达到 规定的精度要求，取整数部分记为K－m为止。即可 得到与N对应的m位二进制小数0．K－1 K－2· · · · · ·K－m。
22 „„„ 0=K0 11 „„„ 0=K1 5 „„„ 1=K2 2 „„„ 1=K3 1 „„„ 0=K4 0 „„„ 1=K5 高位
高位
低位
所以：(44.375)10＝(101100.011)2
（1-19）
十进制数转换成二进制数的另一种方法是降幂比较法。如果熟 记20～210的数值是1～1024，2－1～2－4的数值是0.5～0.0625，那 么用降幂比较法，便可很容易地获得一个十进制数的二进制数转
Verilog HDL数字设计教程(贺敬凯)第1章
路网表。
第1章 Verilog HDL数字设计综述
波形图输入方法则是将待设计的电路看成是一个黑盒子，
只需告诉EDA工具该黑盒子电路的输入和输出时序波形图，
EDA工具就可以完成黑盒子电路的设计。 原理图输入方法是一种类似于传统电子设计方法的原理 图编辑输入方式，即在EDA软件的图形编辑界面上绘制能完 成特定功能的电路原理图。原理图由逻辑器件(符号)和连接
理图和信号的连接表，如果是一个大的系统，将是一大摞图
纸，以后系统若出现问题，查找、修改起来都很麻烦。
第1章 Verilog HDL数字设计综述
上述过程是从底层开始，或在已有的功能模块的基础上 来搭建高层次的模块直至整个系统的。因此这种传统的电子 系统的设计过程是一种自底向上(Bottom-Up)的设计，设计 过程必须从存在的基本单元模块出发，基本单元模块必须是 已经设计成熟的标准单元模块或其他项目已开发好的单元模 块。
第1章 Verilog HDL数字设计综述
本书所有设计最终的实现目标主要定位于FPGA，因此下
面重点介绍FPGA的开发流程。FPGA的EDA开发流程如图1-3
所示。
第1章 Verilog HDL数字设计综述
图1-3 FPGA的EDA开发流程
第1章 Verilog HDL数字设计综述
从图1-3可以看出，FPGA的开发流程与图1-2所示的用 EDA工具设计数字系统的流程基本相同，都需要设计输入、 功能仿真、逻辑综合、布局布线(适配)、时序仿真、物理实 现等几个步骤。下面将分别介绍主要设计模块的功能特点。
第1章 Verilog HDL数字设计综述
1. 设计输入 在EDA软件平台上开发FPGA/CPLD时，首先要将电路系 统以一定的表达方式输入计算机。通常，EDA工具的设计输 入可分为以下两种类型：
2019-2020年沪科版物理高一上1-D《现代实验技术--数字化信息系统(DIS)》教案1
2019-2020年沪科版物理高一上1-D《现代实验技术--数字化信息系统(DIS)》教案1第一章 D 现代实验技术——数字化信息系统（DIS）执教：华东师范大学附属东昌中学蔡钢一.教学任务分析数字化信息系统（DIS）应用传感器和数据采集器自动获取和输入实验数据，通过计算机的快速处理得到实验的结果，提高了教学效率，使学生可以有更多的时间用于自主探究活动，改变传统的教学模式。
学习本节内容所需准备的知识和技能主要有：（1）匀速直线运动物体的图像描述；（2）位移、速度的概念；（3）长度的测量。
通过实例（利用传统测量工具测量长度）的测量和讨论，感受引入DIS的优点。
结合“练习使用DIS”实验，了解DIS的构成和使用方法，并练习测定位移传感器的测量范围，归纳得出测量的三个组成部分。
通过“用DIS测量运动物体的位移和速度”实验，初步学会用图像描述和研究物体的运动规律，进一步理解s-t图像和v-t图像的物理意义。
二．教学目标1．知识与技能（1）知道物理测量的三个组成部分。
（2）知道DIS的含义、构成和使用方法。
（3）初步学会组装DIS，用DIS获取实验数据、处理数据和得出实验图像。
（4）进一步理解匀速直线运动物体的s－t图像和v－t图像的物理意义。
2．过程与方法（1）通过对DIS实验数据的采集、列表、作图、拟合和转换等环节的处理过程，感受研究物理规律的科学方法和基本过程。
（2）通过对传统仪器与DIS测量物理量过程的类比研究，认识物理实验的一般过程和方法。
（3）通过应用DIS对几种直线运动情况的实验研究，感受图像法是分析和研究物理问题的有效方法之一。
3．情感、态度与价值观（1）通过对传统实验仪器与DIS传感器测量物理量过程的对比，体验数字化、信息化技术带来的革命性的变化，提高学习兴趣和探究欲望。
（2）通过应用DIS对物体运动情况的实验研究，感悟物质运动的多样性与复杂性，建立团结协作的意识，养成实事求是的科学态度。
第1章Verilog层次化设计
实例化引用
定义好的一位加法器的模板
module adder_1 ( i_A, i_B, i_Cin, o_S, o_Cou);
.... endmodule
通过多次实例化相同模加法器， 只是它们在电路中的名字 和连接关系各不相同。
u_fadder_1_4
图1.3 模块实例化示意图
顶层模块
子模块A
子模块B
子模块C
子模块 C3 子模块 C2 子模块C1 子模块 B3
子模块 …… B2
子模块B1 子模块A3 子模块A2 子模块 A1
图1.4自顶向下的设计
所谓自顶向下，也就是从整个系统设计的顶层开始，往下一层将系统划分为若干个子模 块，然后再将每一个子模块又向下一层划分为若干的子模块。通过这样将整个系统逐次 向下分解，一个顶层设计最后可以细分为若干较小的基本 功能块，直到不能继续分解 为止。
1.1 一个简单的例子——四位全加器的设计
fadder_1 u_fadder_1_3 ( .i_A(i_A[2]), .i_B(i_B[2]), .i_Cin(Cout_2), .o_S(o_S[2]), .o_Cout(Cout_3) ); fadder_1 u_fadder_1_4 ( .i_A(i_A[3]), .i_B(i_B[3]), .i_Cin(Cout_3), .o_S(o_S[3]), .o_Cout(o_Cout) );
• 以例1.1的全加器为例。模块fadder_4是设 计的顶层，4位全加器向下划分为4个较小 的1位全加器子模块。模块fadder_1是设计 的底层，实现了1位全加器的功能。
• 顶层模块通过实例化调用4个1位全加器， 将其串联在一起构成最终的四位全加器电 路。
• 另一种常见的设计方法是自底向上 （Bottom-UP）的设计，它与自顶向下的 设计相反。
数字系统设计与Verilog_HDL(第4版)[王金明]第1章
IEEE标准
硬件描述语言与软件编程语言有本质的区别
综合（Synthesis）
将较高层次的设计描述自动转化为较低层次描述的过程
◆行为综合：从算法表示、行为描述转换到寄存器传输级
（RTL） ◆逻辑综合：RTL级描述转换到逻辑门级（包括触发器） ◆版图综合或结构综合：从逻辑门表示转换到版图表示，或 转换到PLD器件的配置网表表示
现代EDA技术的特征
（1）采用硬件描述语言（HDL）进行设计 （2）逻辑综合与优化 （3）开放性和标准化 （4）更完备的库（Library）
1.2 Top-down设计与IP核复用 1.2.1 Top-down设计 1.2.2 Bottom-up设计 1.2.3 IP复用技术与SOC
1.2.1 Top-down设计
EDA（Electronic Design Automation） 就是以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开 发环境，以PLD器件或者ASIC专用集成电路为目 标器件设计实现电路系统的一种技术。 1．电子CAD（Computer Aided Design）
2．电子CAE（Computer Aided Engineering）
称为下载。
通常将对基于EEPROM工艺的非易失结构PLD器件
的下载称为编程（Program），将基于SRAM工艺
结构的PLD器件的下载称为配置（Configure）。
1.4 常用的EDA软件工具 集成的 FPGA/CPLD开发工具 逻辑综合器 仿真工具 其他设计工具
集成的FPGA/CPLD开发工具
SoC： SYSTEM on a CHIP
1.3 数字设计的流程
基于 FPGA/CPLD 的数字系统 设计流程
设计输入
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1998 年
0.25 7M 0.5 5 160 20 660 2.5 1350 500
2001 年
0.18 13M 0.2 5～6 140 20 750 1.8 2000 700
2004 年
0.13 25M 0.1
6 120 22 900 1.5 2600 1000
2007 年
0.1 50M 0.05 6～7 100 22 1100 1.2 3600 1500
CPU、存储器 控制器、网表 ALU、寄存器、多路选择器(MUX) 门、触发器 晶体管
晶体管布局 标准单元 宏单元 模块/芯片 芯片、板、多晶片模块 物理/几何域
图1-2 Y图
(1) 晶体管级。晶体管级是最底层，其主要构件是晶体管、 电阻等。该层的结构描述说明晶体管和电阻元件的符号定义及 其拓扑连接关系；该层的功能通常用微分方程或电流电压关系 方程来描述；该层的物理描述则说明由晶体管及物理连线几何 图形构成的掩膜版图。晶体管级的描述是VLSI粒度最小、描述 最详细、数据量最大的一层，在该层上进行的设计又称为版图 设计或电路设计。版图设计是既费时费力又十分关键的工作。 利用计算机来进行版图设计，实际上是利用计算机对图形的调 用、移动、旋转、缩放、修改、重复等操作能力，快速精确地 绘制出满足精度要求的版图，并在经过进一步的检查和调整 后，形成适合于制版需要的版图数据文件。
1.1.3 数字系统设计和EDA
ASIC和系统集成的迅速发展与电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)设计技术与工具的进步是分不开的， 实际上，纵观EDA技术的发展历程，我们就可以看到，ASIC和 EDA技术两者是相辅相成，共同发展的。EDA使ASIC设计得以 革新，而ASIC设计的要求始终是改进EDA工具的原动力。在当 今电子产品日益复杂和希望尽快将产品投放市场的要求下，电 子系统的设计更加依赖于EDA工具的支持。
● 门阵列：门海，适宜于中高复杂度电路。
● 基于标准单元设计：以单元库的形式提供，全定制集成 电路也使用。
● CPLD，PAL：可编程与－或阵列，采用熔丝或绝缘门晶 体管。
● FPGA：由Xilinx，Altera等提供的基于RAM的阵列。
1.1.2 数字系统与SOC设计技术
VLSI工艺技术的发展，使器件特征尺寸越来越小，数百万门 级的电路可以集成在一个芯片上。而多种兼容工艺技术的开发， 则可以将差别很大的不同类型的器件集成在同一个芯片上。这些 都为系统集成开辟了广阔的工艺技术途径，导致了单片系统(SOC) 的出现。单片系统不仅只是把功能复杂的若干个数字逻辑电路放 在同一个芯片上，做成一个完整的单芯片数字系统，而且在芯片 上可能还集成有其他类型器件(如模拟器件、专用存储器、射频器 件、MEMS等)。通常单片系统上常混合有数字系统和模拟器件。 由于单片系统芯片在速度、功耗、成本上比多芯片系统有很大的 优势，因此SOC设计技术变得越来越重要。本节中将概括说明系 统级芯片的特点，其设计技术将在后面说明。
全定制设计均采用 门海、适合中高复
标准单元库
杂电路
CPLDs,PALs
可编程与—或阵列 采用熔丝或绝缘门
晶体管
图1-1 集成电路分类
现场可编程门阵 列(FPGA)
基于RAM的门阵 列,由Xilinx,Altera
等提供
定制部件又分为全定制和半定制两类。全定制集成电路中 所有的逻辑单元和掩膜版都是按客户要求定制的；这类产品的 特点是设计、生产的风险高、耗时长，适宜于大批量生产，产 品的性能也比较高。在半定制集成电路中所有的逻辑单元都是 预先设计的，但其功能是程序可编的。半定制集成电路又可以 分为以下几类：
(2) 门级。门级的主要构件是门、触发器等。该层的结构描 述说明各种类型门单元和触发器单元的符号定义及其拓扑连接 关系；该层的功能通常用布尔表达式和时序状态方程来描述； 该层的物理描述说明由门单元和触发器几何图形及物理连线几 何图形构成的VLSI几何布局。随着计算机软件技术的进步，通 过各种模拟软件特别是自动布局布线工具，已经可以直接从门 级进行设计，即在门级给出电路描述，通过功能和时序仿真， 然后利用自动布局布线工具实现版图。门级设计的关键是版图 综合。
集成电路设计技术的发展是通过不断提高设计抽象层次， 来达到提高设计效率的目的，每个阶段的变换都使设计业经历 了一次革命。
信息描述的行为域、结构域和物理域之间存在内在的关 系，这些关系(如图1-3(a)，(b)所示)可归纳如下：
● 综合(Synthesis)与分析(Analysis)。综合实际上是一个设 计过程，是从行为域向结构域的转换或映射过程，分析则是与 综合相反的过程。
表1-1 超大规模集成电路技术发展趋势(1995～2010年)
单
参数
位
最小线宽 逻辑晶体管数/cm2
成本/晶体管 最多互连线层数 电学缺陷数/m2
最少掩膜数 ASIC 芯片尺寸 电源电压(台式机)
芯片 I/O 数 芯片/板的性能
年份
μm
门 毫美分
层 个 个 mm2 V 个 MHz
1995 年
0.35 4M 1 4～5 240 18 450 3.3 900 150
物理/几何域
物理/几何域
图1-3(a用) Y图表示自上而下的综合和设计(过b) 程 (a) 用Y图表示自上而下的综合；(b) Y图和设计过程
级别
系统 算法 RTL
门 晶体管
部件数目
1E0 1E1 1E2 1E3 1E4 1E5 1E6 1E7
抽象 精度
图1-4 抽象程度与复杂度的关系抽象(Abstraction)与细化(Refinement)。抽象是从物理域 向行为域的转换或映射过程，细化是与抽象相反的过程。
● 生成(Generation)与提取(Extraction)。生成是从行为域向 物理域的转换或映射过程，提取是与生成相反的过程。
设计的抽象层次与其复杂度的关系呈现金字塔状，随着抽 象层次(从晶体管级到系统级)的增高，构成的部件数目呈减少 趋势；设计的抽象层次与精度则呈相反方向关系，如图1-4所示。 图1-5是给出了一个系统在行为域、结构域和物理域描述的简单 例子。
新世纪计算机、电子类高等学校系列教材
Digital System
现代数字系统设计
侯伯亨 徐君国 刘高平 殷伟凤 李国胜 西安电子科技大学出版社
目录
第1章 数字系统设计概述 第2章 数字系统的建模和结构 第3章 数字系统的算法描述 第4章 数字系统的VHDL语言描述 第5章 数字系统设计的基本步骤和有关技巧 第6章 典型EDA开发工具介绍 第7章 仿真、逻辑综合和下载 第8章 数字系统检测与可检测性设计 第9章 SOC和硬件/软件协同设计技术 第10章 数字系统设计实例
EDA的发展可分为三个阶段：CAD(计算机辅助设计)、 CAE(计算机辅助工程)和ESDA(电子系统设计自动化)。
1.2 数字系统设计方法
1.2.1 数字系统设计描述
认识论告诉我们：人们认识事物总是从具体到抽象，又从 抽象到具体，反复循环，逐步深化；经过抽象以后形成的概 念，可以更好把握和反映事物的本质。人们在观察、分析、处 理一个复杂系统时，常常采用分层次的方法，大量的实践已证 明这是一种行之有效的办法，这是因为：
2010 年
0.07 90M 0.02 7～8 25 24 1400 0.9 4800 3000
标准部件 (即购即用)
TTL逻辑 CMO逻S 辑 各种微处理器 ASIC芯片
数字电路
定制部件
全定制电路
高风险开发费时, 昂贵适于大批量
高性能产品
半定制电路
权衡风险、成本、 性能、设计周期
基于单元的设计
门阵列
(4) 硬件模块级。硬件模块级的主要构件是由寄存器级单 元构成的乘法器、加法器等硬件功能模块。该层的功能通常 用算法过程描述；该层的结构描述说明乘法器、加法器等硬 件功能模块的符号定义及其结构连接关系；该层的物理描述 说明硬件功能模块的几何图形及其物理连线构成的VLSI单元 集合的几何布局。
(5) 处理机级。处理机级是最高抽象层，主要构件有CPU、 存储器、I/O接口等。该层的结构描述说明CPU、存储器、I/O 接口等的符号定义及其结构连接关系；该层的物理描述说明由 CPU、存储器、I/O接口等硬件功能模块构成的VLSI版图的物 理划分。
第二次变革的标志是代加工(Foundry)公司与IC设计公司的 崛起。20世纪80年代，集成电路的主流产品为微处理器(MPU)、 微控制器(MCU)及专用IC(ASIC)。这一时期，无生产线的IC设 计公司(Fabless)与拥有生产线的代加工公司相结合的方式开始 成为集成电路产业发展的新模式。
第三次变革导致了IC产业的四业分离。20世纪90年代，随 着Internet的兴起，IC产业跨入以竞争为导向的高级阶段，国际 竞争由原来的资源竞争、价格竞争转向人才知识竞争、密集资 本竞争。以DRAM为中心来扩大设备投资的竞争方式已成为过 去，如1990年以Intel为代表的美国厂商，面对日本DRAM厂商 的攻势，主动放弃DRAM市场，集中精力转向CPU的开发，对 半导体工业作了重大结构调整，又重新夺回了世界半导体的霸 主地位。人们认识到，IC产业发展，只有分才能精，整合才成 优势。于是IC产业结构向高度专业化转化成为一种趋势，开始 形成了设计业、制造业、封装业、测试业独立成行的局面。
● 分层次的方法反映了事物内在的联系：可将大化小，使 复杂变简单；
● 有助于控制复杂度：可以把一些细节隐藏起来，减少每 次处理事物的数量；
● 可以使设计模块化：便于对系统进行划分，简化系统的 实现和调试。
系统级
行为域
系统规格 算法
寄存器传输规格 布尔方程 传递函数
算法级 RTL级 逻辑级 电路级
结构域
行为域
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