数字系统设计DigitalSystemDesign
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Digital System Design
Example – Decoder (3 to 6)
input En A2 A1 A0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 X 0 0 0 0 1 1 1 1 X 0 0 1 1 0 0 1 1 X 0 1 0 1 0 1 0 1 outputs Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 module decoder3_6_case1(A,En,Y); input En; input [2:0] A; output [5:0] Y; reg [5:0] Y; always@(En or A) begin if(!En) Y = 6'b0; else case(A) 0:Y = 6'b000001; 1:Y = 6'b000010; 2:Y = 6'b000100; 3:Y = 6'b001000; 4:Y = 6'b010000; 5:Y = 6'b100000; default:Y = 6'b0; endcase end endmodule
00 01
11 10
0 0
0 0
0 1
1 1
1 1
1 1
0 0
1 0
Out = AD + BD + CD + ABC
Traditional design method
(optimization is done by hand) not suitable for HDL design
Example - Seven Segment Display
数字系统设计概述27页PPT
谢谢！
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
数字系统设计概述4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
数字系统设计简介
1. 数字系统是同步系统，控制器的状态变化以及 数据处理器中的寄存器传输操作，都是由系统时钟控 制。 2. 所有输入信号都与时钟脉冲同步。如有异步信 号，应转换为同步信号。 3. 时钟脉冲应同时到达所有存储元件的时钟脉冲 输入端。时钟脉冲为周期性的电压方波，如图所示。 数字系统中，时钟脉冲的有效边沿多为上升沿。
2. 设计步骤 自上而下的设计方法就是从整体到局部， 最后到细节。开始时，先要明确设计总体 任务，确定设计目标，然后把总体任务分 成一个个子任务，并分析子任务之间的关 系，最后拟订各子任务的细节问题。它是 从总体到局部的一种优化设计方法。
数字系统设计的三个阶段：总体设计阶段、逻辑设计阶段 和电路设计阶段。
数字系统基本结构
Hale Waihona Puke 处理器的任务：实现数据的加工、传送和处理，完 成由控制器发出的命令所规定的全部操作。所以 ， 其系统是在外输入（X）和处理器反馈给控制器的 状态变量（S）的共同作用下，并在控制器的控制 下定序完成操作步骤。
数字系统完成一个计算任务是这样进行的，在 一个计算步骤下，控制器发出控制信号给处理器， 由处理器完成规定的操作，控制器接收外部输入信 号和处理器反馈给控制器的状态变量，决定下一个 计算步骤，这样逐步地完成一个计算任务。
11.2.2 数字系统的设计方法与设计步骤
1. 设计方法 从理论上来讲，任何数字系统都可看成一个时序系统，因 此应用时序电路的设计方法就可以设计出完整的数字系统。但 当一个系统的输入输出变量和状态变量很多时，再用状态表和 卡诺图等工具来描述一个大型时序系统就很困难了。 早期的数字系统多采用试凑法设计，主要凭借设计者的经 验。所设计出的电路，虽然不乏构思巧妙者，但交流和修改不 方便，设计所花费的时间也较多。 现在大多采用一种自上而下的模块化设计方法。自上而下 也称自顶向下(top—down)，顶就是系统的功能，向下指的是将 系统分割成若干功能模块。完整的意思是：从整个系统功能出 发，按一定原则将系统分为若干子系统，再将每个子系统分为 若干功能模块，再将每个模块分成若干较小的模块……直至分 成许多基本模块实现。
2. 设计步骤 自上而下的设计方法就是从整体到局部， 最后到细节。开始时，先要明确设计总体 任务，确定设计目标，然后把总体任务分 成一个个子任务，并分析子任务之间的关 系，最后拟订各子任务的细节问题。它是 从总体到局部的一种优化设计方法。
数字系统设计的三个阶段：总体设计阶段、逻辑设计阶段 和电路设计阶段。
数字系统基本结构
Hale Waihona Puke 处理器的任务：实现数据的加工、传送和处理，完 成由控制器发出的命令所规定的全部操作。所以 ， 其系统是在外输入（X）和处理器反馈给控制器的 状态变量（S）的共同作用下，并在控制器的控制 下定序完成操作步骤。
数字系统完成一个计算任务是这样进行的，在 一个计算步骤下，控制器发出控制信号给处理器， 由处理器完成规定的操作，控制器接收外部输入信 号和处理器反馈给控制器的状态变量，决定下一个 计算步骤，这样逐步地完成一个计算任务。
11.2.2 数字系统的设计方法与设计步骤
1. 设计方法 从理论上来讲，任何数字系统都可看成一个时序系统，因 此应用时序电路的设计方法就可以设计出完整的数字系统。但 当一个系统的输入输出变量和状态变量很多时，再用状态表和 卡诺图等工具来描述一个大型时序系统就很困难了。 早期的数字系统多采用试凑法设计，主要凭借设计者的经 验。所设计出的电路，虽然不乏构思巧妙者，但交流和修改不 方便，设计所花费的时间也较多。 现在大多采用一种自上而下的模块化设计方法。自上而下 也称自顶向下(top—down)，顶就是系统的功能，向下指的是将 系统分割成若干功能模块。完整的意思是：从整个系统功能出 发，按一定原则将系统分为若干子系统，再将每个子系统分为 若干功能模块，再将每个模块分成若干较小的模块……直至分 成许多基本模块实现。
数字系统设计ppt课件
数字系统设计与CPLD应用
29
硬件描述语言 HDL Hardware Description Language
用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的 方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与 传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。
Abel HDL AHDL Verilog HDL VHDL Hardware C
数字系统设计与CPLD应用
30
例如，一个二选一的选择器的电原理图如图0－4所示
图0－4 二选一选择器的电原理
数字系统设计与CPLD应用
31
用VHDL语言描述的二选一选择器如下：
ENTITY mux IS
PORT(d0，d1，sel ：IN BIT ；
q ：OUT BIT) ；
END mux ；
ARCHITECTURE connect OF mux IS
数字系统设计与CPLD应用
19
自底向上(Bottom to Up)的主要设计步 第一步:选择逻辑元、骤器件。
由数字电路的基本知识可知，可以用与非 门，或非门，D触发器，JK触发器等基本逻 辑元、器件来构成一个计数器。设计者根据 电路尽可能简单，价格合理，购买和使用方 便及各自的习惯来选择构成六进制计数器的 逻辑元、器件。
当今的产品开发设计人员通常
采用建立数字系统的算法模型来
设计数字系统。
数字系统设计与CPLD应用
12
§ 0.2 数字系统设计方法论
• 数字系统设计的两个分支：
1.系统硬件设计
2.系统软件设计。
• 随着计算机技术的发展和硬件描述语言HDL（ Hardware Description Language）的出现 ，硬件设计方法又有了新的变化。
数字系统设计的流程
数字系统设计的流程数字系统设计的流程可以分为以下几个步骤：需求分析、系统设计、逻辑设计、电路设计、布线设计、验证与调试。
需求分析是数字系统设计的第一步。
在这个阶段，设计师需要与客户或用户进行沟通，了解他们对系统的需求和期望。
设计师需要明确系统的功能、性能、接口要求等，并将这些需求转化为设计的指导原则。
接下来是系统设计阶段。
在这个阶段，设计师需要确定系统的整体架构和组成部分。
设计师会绘制系统的框图，标识出各个模块之间的关系和数据流动。
同时，设计师还需要选择合适的处理器、存储器和外设等硬件组件，并设计系统的输入输出接口。
然后是逻辑设计阶段。
在这个阶段，设计师需要将系统的功能分解为更小的模块，并确定每个模块的功能和接口。
设计师会使用硬件描述语言（HDL）来描述系统的逻辑功能，并通过仿真工具进行验证。
在这个阶段，设计师需要考虑系统的时序要求、数据通路和控制信号等。
接着是电路设计阶段。
在这个阶段，设计师会将逻辑设计转化为实际的电路设计。
设计师会选择合适的逻辑门、触发器、寄存器等元件，并进行连线。
设计师还需要考虑电源和地线的布局、信号的传输和阻抗匹配等问题。
布线设计是数字系统设计的下一个阶段。
在这个阶段，设计师会将电路设计转化为实际的物理布局。
设计师需要考虑信号线的长度、走线的路径和布局的密度等因素，以确保信号的稳定性和电路的可靠性。
最后是验证与调试阶段。
在这个阶段，设计师会使用仿真工具和实际的硬件进行系统的验证和调试。
设计师需要检查系统的功能是否符合需求，并进行必要的修正和调整。
同时，设计师还需要测试系统的性能和稳定性，并进行必要的优化和改进。
数字系统设计的流程包括需求分析、系统设计、逻辑设计、电路设计、布线设计、验证与调试等多个阶段。
每个阶段都有其特定的任务和目标。
通过合理的流程和方法，设计师可以高效地完成数字系统的设计工作，并确保系统的功能和性能符合需求。
High-speed digital system design 高速数字系统设计
Chp2 Ideal Transmission Line Fundamentals
2.2 Transmission line parameters
The basic electrical characteristics that define a transmission line are its characteristic impedance and its propagation constant. What is the electromagnetic properties of the TL ?
–
As a signal travels down the TL, there will be a voltage difference between the signal path and current return path. The voltage difference establishes an electric field between the two conductors. (Gauss’s Law) – Current flowing through a conductor results in a magnetic field around that conductor. (Ampere’s law) – Therefore, output buffer injects a signal of voltage Vi and current Ii onto a TL, it will induce an E and H fields, respectively. – It implies that the signal is not simply traveling on the signal conductor of the TL, rather, it is traveling between the signal conductor and the reference plane in the form of an E and H fields.
VHDL数字系统设计
：
ASIC
数字 ASIC
混合 ASIC
模拟 ASIC
9
数字系统设计
3.
按制造方法划分：
按版图结构及制造方法分，有半定制(Semi-custom)和全 定制(Full-custom)两种实现方法。
全定制方法 是一种
基于晶体管级的，手工 设计版图的制造方法。
ASIC设计方法
半定制法 是一
种约束性设计方 式，约束的目的 是简化设计，缩 短设计周期，降 低设计成本，提 高设计正确率。
PROM表达的PLD图阵列
A1 A0 或阵列 （可编程）
A0 A 0 A1 A1 与阵列（固定）
21
F1
F0
数字系统设计
简单PLD原理
用PROM完成半加器逻辑阵列
A1 A0 或阵列 （可编程）
F 0 A0 A1 A0A1 F1 A1A0
A1 A1 A0 A 0 与阵列（固定） F1 F0
什么是可编程逻辑器件? CPLD、FPGA的工作原理？ 数字系统的设计流程？
3
数字系统设计
数字系统(Digital System)——使用数字技术传输 和处理信息的电子系统。数字系 统的硬件构成主要是数字集成电 路。
4
数字系统设计
1.1 数字集成电路的分类
1. 按生产工艺划分：
•54/74系列 •54H/74H系列
13
数字系统设计
1.2.1 PLD的分类
PLD 有多种分类方法 ，下面介 绍几种常见的分类方法。
14
数字系统设计
1. 按不同的结构划分：
（ 1 ） PLD ：乘积项结构器件，其基本结构 为与-或阵列。
数字系统设计方案方法
模块设计
对每个模块进行详细设计， 包括模块的功能、接口、 数据流等。
架构评审
对系统架构进行评审，确 保其合理性和可扩展性。
硬件与软件设计
硬件选型
根据系统需求选择合适的硬件设备，包括处理器、 存储设备、网络设备等。
软件设计
编写软件代码，实现系统的各项功能。
软硬件集成
将硬件和软件进行集成，确保其正常工作。
总结词
云计算数据中心通过集中管理和调度计算资源，提供高效、灵活和可扩展的计算服务。
详细描述
云计算数据中心设计需要考虑数据安全、高可用性和可扩展性等方面。通过虚拟化技术， 实现资源池化和弹性伸缩。云计算数据中心为企业提供低成本、高性能的计算服务，促
进信息化发展。
感谢您的观看
THANKS
测试与验证
01
功能测试
对系统的各项功能进行测试，确保 其符合需求规格书的要求。
安全测试
测试系统的安全性，包括数据加密、 身份认证等。
03
02
性能测试
测试系统的性能指标，如响应时间、 吞吐量等。
测试报告
将测试结果整理成测试报告，提出 改进意见。
04
部署与维护
系统部署
将系统安装到实际运行环 境中，并进行配置和调试。
测试工具
测试工具用于生成测试向量、分析测 试结果和调试数字系统。常用的测试 工具有JTAG调试器、In-Circuit Emulator和Logic Analyzer等。
04
数字系统设计最佳实践
系统可扩展性设计
总结词
系统可扩展性是指系统能够适应未来发展和变化 的能力。
总结词
系统可扩展性设计应遵循模块化原则，将系统划 分为可独立升级和替换的模块。
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任课教师
• 王维东
• 浙江大学信息与电子工程学院, 信电楼306 • 邮箱：wdwang@ • College of Information Science & Electronic Engineering • Zhejiang University, Hangzhou, 310027 • Tel: 86-571-87953170 (O) • Mobile: 13605812196
2. 在卡诺图上与这些最小项对应的位置上填入1， 其余地方填0。
Winter 2015 ZDMC – Lec. #1 – 44
16
用卡诺图表示逻辑函数
例：
Y ( A, B,C, D) ABCD ABD AB ABCD (C C)ABD AB[(CD) CD CD CD]
13
表示最小项的卡诺图
• 二变量卡诺图
Y1
三变量的卡诺图
Y2
Y3
4变量的卡诺图
Winter 2015 ZDMC – Lec. #1 – 44
14
• 五变量的卡诺图
Y
Winter 2015 ZDMC – Lec. #1 – 44
15
用卡诺图表示逻辑函数
1. 将函数表示为最小项之和的形式 mi。
电子工业出版社, 2005. – M.M.Mano, 数字设计(第四版), 电子工业出版社, 2010.
» /mano
Spring 2016 ZDMC – Lec. #1
3
Other Course Info
• Website: – /wdwd/教学工作/ – ftp://10.13.71.58/数字系统设计/2016/, 暂停 – Check frequently
– Class Room Check – Homework Sets – 作业上交截止期为课后一周内有效
•Project
– 2 projects (1 or 2 members team)
– Project-2可选（总评加分3~5分，但不超过平时成绩范围）
•Finial Exam期末闭卷考试 - 70%
பைடு நூலகம்TA:
陈彬彬 Binbin CHEN, 13071888906; 15091831397@； 黄露 Lu HUANG，6719473; eliver8801@;
Tuesday & Thursday 14:00-16:30 PM Office Hours：玉泉信电楼 308室（可以微信或邮件联系）.
m(1,4,6,8,9,10,11,15)
• 答疑 – 玉泉信电楼308室/周四下午2:30-5:00 – 上课课间、课后均可 – Email，微信群，短信均可
Grading (考核)
Final grades will be computed approximately as follows:
•期中考试-10% •课程作业+小测验+上课出勤率+Project - 20%
Winter 2015 ZDMC – Lec. #1 – 44
11
表示最小项的卡诺图
• 二变量卡诺图
三变量的卡诺图
Y
4变量的卡诺图
Winter 2015 ZDMC – Lec. #1 – 44
12
表示最小项的卡诺图
• 二变量卡诺图
三变量的卡诺图
Y
Y
4变量的卡诺图
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课程简介
• 课程代码：111C0120 • 参考书
– 阎石, 数字电子技术基础, 第5版, 高等教育出版社, 2006. – 王金明著，数字系统设计与Verilog HDL，电子工业出版社，第5版 – 补充讲义/期中考试前预备 – Stanford 大学 108A课程notes. – R.H.Katz, G.Borriello, Contemporary Logic Design, second edition,
• 数字电路分析与设计
– 组合逻辑电路 – 触发器、半导体存贮器、可编程器件 – 时序逻辑电路
• 脉冲电路与接口 • 控制器与数字系统
– 状态机 – 控制器 – 微码控制器
– 测试和验证
• 微处理器简介
Spring 2016 ZDMC – Lec. #1
7
----函数化简&数制码制
8
逻辑函数的化简法
• 公式化简法
– 反复应用基本公式和常用公式，消去多余的乘积项和多余的因子。
• 卡诺图化简法
– 将逻辑函数的最小项之和的以图形的方式表示出来。
Winter 2015 ZDMC – Lec. #1 – 44
9
逻辑函数的化简法
• 逻辑函数的最简形式 最简与或 ------包含的乘积项已经最少，每个乘积项的因 子也最少，称为最简的与-或逻辑式。
Spring 2016 ZDMC – Lec. #1
1
Prerequisites预修课程
• 电子电路基础 • 电子线路 • C语言
• How to learn this Course? – Not only listening, thinking and waiting …. – But Exercise, Simulation, Practice!
Y 1 ABC BC ACD
Y 2 AC BC
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10
卡诺图化简法
逻辑函数的卡诺图表示法
• 实质：将逻辑函数的最小项之和的以图形的方 式表示出来
• 以2n个小方块分别代表 n 变量的所有最小项，并将它 们排列成矩阵，而且使几何位置相邻的两个最小项在 逻辑上也是相邻的（只有一个变量不同），就得到表 示n变量全部最小项的卡诺图。
授课时间和地点：
• 2016年春夏学期，
– 周二上午，第3、4节(9:50-11:25) – 星期四上午，第1、2节(08:00-09:35)
• 地点：紫金港西1-520(多) • /wdwd/教学工作/
6
课程结构
• 数字理论知识(必备)
– 数字系统和编码、逻辑代数、门电路
• 王维东
• 浙江大学信息与电子工程学院, 信电楼306 • 邮箱：wdwang@ • College of Information Science & Electronic Engineering • Zhejiang University, Hangzhou, 310027 • Tel: 86-571-87953170 (O) • Mobile: 13605812196
2. 在卡诺图上与这些最小项对应的位置上填入1， 其余地方填0。
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用卡诺图表示逻辑函数
例：
Y ( A, B,C, D) ABCD ABD AB ABCD (C C)ABD AB[(CD) CD CD CD]
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表示最小项的卡诺图
• 二变量卡诺图
Y1
三变量的卡诺图
Y2
Y3
4变量的卡诺图
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• 五变量的卡诺图
Y
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15
用卡诺图表示逻辑函数
1. 将函数表示为最小项之和的形式 mi。
电子工业出版社, 2005. – M.M.Mano, 数字设计(第四版), 电子工业出版社, 2010.
» /mano
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3
Other Course Info
• Website: – /wdwd/教学工作/ – ftp://10.13.71.58/数字系统设计/2016/, 暂停 – Check frequently
– Class Room Check – Homework Sets – 作业上交截止期为课后一周内有效
•Project
– 2 projects (1 or 2 members team)
– Project-2可选（总评加分3~5分，但不超过平时成绩范围）
•Finial Exam期末闭卷考试 - 70%
பைடு நூலகம்TA:
陈彬彬 Binbin CHEN, 13071888906; 15091831397@； 黄露 Lu HUANG，6719473; eliver8801@;
Tuesday & Thursday 14:00-16:30 PM Office Hours：玉泉信电楼 308室（可以微信或邮件联系）.
m(1,4,6,8,9,10,11,15)
• 答疑 – 玉泉信电楼308室/周四下午2:30-5:00 – 上课课间、课后均可 – Email，微信群，短信均可
Grading (考核)
Final grades will be computed approximately as follows:
•期中考试-10% •课程作业+小测验+上课出勤率+Project - 20%
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11
表示最小项的卡诺图
• 二变量卡诺图
三变量的卡诺图
Y
4变量的卡诺图
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12
表示最小项的卡诺图
• 二变量卡诺图
三变量的卡诺图
Y
Y
4变量的卡诺图
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课程简介
• 课程代码：111C0120 • 参考书
– 阎石, 数字电子技术基础, 第5版, 高等教育出版社, 2006. – 王金明著，数字系统设计与Verilog HDL，电子工业出版社，第5版 – 补充讲义/期中考试前预备 – Stanford 大学 108A课程notes. – R.H.Katz, G.Borriello, Contemporary Logic Design, second edition,
• 数字电路分析与设计
– 组合逻辑电路 – 触发器、半导体存贮器、可编程器件 – 时序逻辑电路
• 脉冲电路与接口 • 控制器与数字系统
– 状态机 – 控制器 – 微码控制器
– 测试和验证
• 微处理器简介
Spring 2016 ZDMC – Lec. #1
7
----函数化简&数制码制
8
逻辑函数的化简法
• 公式化简法
– 反复应用基本公式和常用公式，消去多余的乘积项和多余的因子。
• 卡诺图化简法
– 将逻辑函数的最小项之和的以图形的方式表示出来。
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9
逻辑函数的化简法
• 逻辑函数的最简形式 最简与或 ------包含的乘积项已经最少，每个乘积项的因 子也最少，称为最简的与-或逻辑式。
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1
Prerequisites预修课程
• 电子电路基础 • 电子线路 • C语言
• How to learn this Course? – Not only listening, thinking and waiting …. – But Exercise, Simulation, Practice!
Y 1 ABC BC ACD
Y 2 AC BC
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10
卡诺图化简法
逻辑函数的卡诺图表示法
• 实质：将逻辑函数的最小项之和的以图形的方 式表示出来
• 以2n个小方块分别代表 n 变量的所有最小项，并将它 们排列成矩阵，而且使几何位置相邻的两个最小项在 逻辑上也是相邻的（只有一个变量不同），就得到表 示n变量全部最小项的卡诺图。
授课时间和地点：
• 2016年春夏学期，
– 周二上午，第3、4节(9:50-11:25) – 星期四上午，第1、2节(08:00-09:35)
• 地点：紫金港西1-520(多) • /wdwd/教学工作/
6
课程结构
• 数字理论知识(必备)
– 数字系统和编码、逻辑代数、门电路