数字系统设计方法
现代数字系统设计方法和流程
现代数字系统的设计方法专业：电力电子与电力传动学号：212012*********姓名：刘滔摘要随着微电子技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、工业自动化、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，EDA技术的含量正以惊人的速度上升，它已成为当今电子技术发展的前沿之一。
现代社会电子产品更新换代的速度越来越快，传统的自下而上(Bottom-Up)的设计方法越来越适应不了这种挑战。
随着可编程逻辑器件集成规模的迅速扩大，自身功能的不断完善，以及计算机辅助设计技术的不断发展，在现代电子系统设计领域，EDA(Electronic Design Automation)技术便引起了人们的极大关注。
设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述。
相应的FPGA/CPLD器件，在EDA工具的帮助下，就可以得到最后的设计结果。
本文首先阐述了EDA技术的基本概念、发展过程和基本特征，最后着重分析EDA技术在两个不同层次上的工作流程，即电路级设计和系统级设计，引入了一种自顶向下的高层次电子设计方法。
关键词：设计方法电子系统设计EDA一、现代数字系统设计的概述EDA（Electronic Design Automation）工程是现代电子信息工程领域中一门发展迅速的新技术。
EDA的定义有广义和狭义之分，广义定义EDA包括半导体工艺设计自动化、可编程器件设计自动化、电子系统设计自动化、印制电路板设计自动化、仿真与测试故障诊断自动化等。
狭义定义的EDA就是电子设计自动化。
EDA技术主要有四个方面：1、可编程逻辑器件，即应用EDA技术完成电子系统设计的载体；2、硬件描述语言（VHDL 或者 Verilog）。
它用来描述系统的结构和功能，是EDA的主要表达手段；3、配套的软件工具。
它用来完成电子系统的智能化设计；4、实验开发系统。
在整个EDA设计电子系统的过程中，实验开发系统是实现可编程器件下载和验证的工具，现代EDA技术是20世纪90年代初从计算机辅助设计、辅助制造和辅助测试等工程概念发展而来的。
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。
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。
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。
数字系统设计的基础知识
05
数字系统的测试与验证
测试策略与技术
单元测试
对数字系统的各个模块进行独立测试，确保 每个模块的功能正常。
系统测试
对整个数字系统进行测试，确保系统满足设 计要求和功能需求。
集成测试
将各个模块组合在一起进行测试，确保模块 之间的接口正常工作。
验收测试
在数字系统交付之前，对系统进行全面测试， 确保系统能够满足用户需求。
案例分析：数字钟的设计需要高精度的计时和稳定的时钟源。石英晶体振荡器的选择对数字钟的准确性 和稳定性至关重要。此外，数字钟还需要考虑功耗和尺寸，以便于在各种应用场景中实现。
案例三：数字信号处理系统的设计
01
总结词：高效灵活
02
详细描述：数字信号处理系统是一种用于处理和分析信号 的数字系统。它通常由输入预处理电路、数字信号处理器 和输出后处理电路组成。数字信号处理器执行信号的滤波 、频谱分析、去噪等处理操作。
数字系统的发展历程
电子管时代
20世纪初，电子管作为数字系统的基 本元件，实现了计算机的初步发展。
02
晶体管时代
20世纪50年代，晶体管取代电子管成 为数字系统的基本元件，推动了计算 机小型化、便携化的发展。
01
互联网时代
21世纪初，互联网技术的普及和发展， 使得数字系统在信息传输和处理方面 发挥着越来越重要的作用。
03
的计数器用于控制指令的执行顺序。
存储器
存储器是数字系统中用于存储大量二进制数据的元件。
存储器由多个存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位。
存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等类型，在计算 机和其他数字系统中有着广泛的应用，如计算机的内存和硬盘等。
数字系统的设计方法
数字系统的设计方法
1.自下而上的设计方法
数字系统自下而上的设计是一种摸索法，设计者首先将规模大、功能简单的数字系统按规律功能划分成若干子模块，始终分到这些子模块可以用经典的方法和标准的规律功能部件进行设计为止，然后再将子模块按其连接关系分别连接，逐步进行调试，最终将子系统组成在一起，进行整体调试，直到达到要求为止。
这种方法的特点是:
(1)没有明显的规律可循，主要靠设计者的实践阅历和娴熟的设计技巧，用逐步摸索的方法最终设计出一个完整的数字系统。
(2)系统的各项性能指标只有在系统构成后才能分析测试。
假如系统设计存在比较大的问题，也有可能要重新设计，使得设计周期加长、资源铺张也较大。
2.自上而下的设计方法
自上而下的设计方法是，将整个系统从规律上划分成掌握器和处理器两大部分，采纳ASM 图或RTL语言来描述掌握器和处理器的工作过程。
假如掌握器和处理器仍比较简单，可以在掌握器和处理器内部多重地进行规律划分，然后选用适当的器件以实现各个子系统，最终把它们连接起来，完成数字系统的设计。
设计步骤：
（1）明确所要设计系统的规律功能。
（2）确定系统方案与规律划分，画出系统方框图。
（3）采纳某种算法描述系统。
（4）设计掌握器和处理器，组成所需要的数字系统。
01数字系统设计概述
2. 按生产目的分类： ·通用集成电路； ·专用集成电路（Application
Specific Integrated Circuit, ASIC）。
3. 按实现方式（设计风格）分类： ·全定制（Full -Custom）方式； ·半定制（Semi-Custom）方式；
1.1.2 SOC 二十世纪末期，集成电路工艺技术进入 深亚微米阶段，单个芯片中已经可以容 纳包括硬件和软件整个系统，即所谓系 统级芯片（System On a Chip, SOC）。
1.2.2 设计过程
设计的过程实际上就是从概念到制 造的过程，即把高层次的抽象描述逐级 向下进行综合和实现，细化为接近物理 实现的低层次描述。在设计中应包括一 系列设计任务和相应的CAD和EDA工具。
设计过程一般由三个阶段：设计输入要求、 系统设计和设计输出要求组成。
输入规格
系统设计 工具
输出规格
集成电路的分类
1. 按工艺分类，最主要的有： ·金属氧化物半导体（Metal Oxide
Semiconductor, MOS）工艺； ·晶体管-晶体管逻辑（Transistor-
Transistor Logic, TTL）； ·发射极耦合逻辑（Emitter Coupled
Logic, ECL）。
2）自上而下的设计方法：
这种设计方法的思想是按从抽象到具体， 从概念到实现的思路和次序进行设计的， 从系统总体要求出发，自上而下地逐步 将设计内容细化，最后完成系统硬件的 整体设计。将系统的硬件设计分成3个层 次：
第一层次是对整个系统购数学模型的描述，称 为行为描述。
第二层次是采用RTL方式导出系统的逻辑表达 式，供逻辑综合使用，称为RTL方式描述。
每个阶段又分为综合、分析和验证三个步 骤。
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单元电路通常有两种不同类型的输入，即来自外部的一次输入和来自串接链
路前级的二次输入。同样输出也有两类，即直接输出到外部的一次输出和输出到 串接链路次级的二次输出。二次输入和二次输出是建立子网络之间联系的纽带。
一次输入 网络输入
…
…
…
…
…
来自j-1 级的二次 输入
第j个子网络
Z1j Z2j
ymj
……
一次输出
限制条件： 技术的先进性和可行性、经费、开发 时间、可获得的资料等
如何将系统划 分为一组相对 独立又相互联 系的模块
模块之间有哪 些数据流和控 制流信息
如何有规则地 控制各模块交 互作用
如何评价模块 结构的质量
期望的目标： 功能、易理解性、可靠性、易 维护性等
模块技术(系统设计)
系统模块结构的方法
构思数据处理器功能 部件 列出控制器应输出的 控制信号 列出数据处理器应输 出的状态信号
起始信号，收到8位，奇偶误差
例：串行数据接收器
根据上面的分析，可以得到系统的结构框图如下 :
虚线框内对应的是 数据处理器
CNT
R
C
P
X
组合电路
Z
数据处理器反馈给控制器的信号： 起始信号、已收到8位数据、有奇 偶误差
S
T
控制器
控制器应该输出的信号： 清零信号、移位信号、计 数器控制信号、触发器P和 触发器C置1置0信号。
例：串行数据接收器
逻辑级设计：(A) 处理器
设计和选择各功能部件:
右移移位寄存器 74194 计数器 74163 触发器 741109 奇偶校验电路 743280
定义处理器状态信号, 列出状态变量表 设处理器的输出状态信息为S1（起始位），S2（已收到8位），S3（有奇偶误差）， 如表：
自顶向下设计方法
性能级
自顶向下的设计方法采用系统层次结 构，将系统的设计分成几个层次进行描述。 由系统的性能级描述导出实现系统功 能的算法，即系统设计。 由功能级描述设计出系统结构框图，
系统设计
功能级
逻辑设计
结构级
然后进行逻辑设计，详细给出实现系统的
物理设计
硬件和软件描述。
物理级
模块技术(系统设计)
模块技术是系统设计中的主要技术
模块化技术就是将系统总的功能分解成若干个 子功能，通过仔细定义和描述的子系统来实现相应 子功能。 一个系统的实现可以有多种方案，划分功能 模块也有多种模块结构。结构决定系统的品质， 一个结构合理的系统可望通过参数的调整获得最 佳的性能。在划分系统的模块结构时，应考虑以 下几个方面：
最高位的Cout作为溢出标志。 A4 B4 A3 B3
A2 B2
A1 B1
COUT = C4
FA
C3
FA
C2
FA
C1
FA
Cin
S4
S3 S2 四位并行加法器
S1
例：4位二进制加法器迭 代网络设计
实现2：下图是通过时间迭代法实现的4位串行加法器。 分 析：该网络在时钟的控制下，从两个移位寄存器A和B的低位端串行输 出一位加数和被加数，在全加器FA中生成相应的和及进位，和作 为结果存入S寄存器，进位则由D触发器寄存作为高一位的二次输 入 。D触发器的初置值为0，其终值表示了溢出标志。
例：串行数据接收器
画出数据处理器逻辑图:
S1
Z(MS B) 4 x
Q0 ~ Q3 Dsr
MA T1194 MB
Z(LSB ) 4
Q0 ~ Q3 Q3 Dsr
MA T1194 MB
Q3
READ
S2 S2 S1 QD
T1163
Q Cr J
T1190
Q K
Q J
T1190
Q K
+
STCP STC CL R
迭代技术
从逻辑设计转换成电路实现的物理设计过程当中，迭代是一类很有 用的技术。
迭代的思想是利用问题本身包含的结构特性，用简单的逻辑子网络
代替复杂的组合逻辑网络，实现要求的处理功能。从而最大限度降低了 逻辑网络的设计难度，简化了设计过程。提高系统的性能/价格比。
迭代可以是时间意义上的迭代，即由简单的逻辑子网络，在时钟控
a8
a4
B a8 a4 a2
B a1
BBBiblioteka 0b4 B B B B
0
P128
P64
P32
P16
P8
P4
P2
P1
例：乘法器设计
方案2：时间迭代－部分积左移累加算法
例：乘法器设计
方案2：时间迭代－部分积左移累加算法
累加寄存器A 乘数寄存器Q
A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
加命令
Q7 Q6 Q5 Q4
…
ym,j+1
网络输出
Znj
空间网络迭代基本模型
…
… …
… …
… …
单位1
单位2
…
y1j y2j
y1,j+1 y2,j+1
边 界 输出到 输 j+1级 入 的二次 输出
单位n
…
…
…
X1j X2j
……
Xnj
边 界 输 出
迭代技术
时间迭代网络基本模型
子网络在时钟控制下，接收来自信息寄存器A，．．．E通过移位的串行输
右移命令
可控全加器
控制器
M7 M6 M5 M4 M3 M2 M1 M0
被乘数寄存器M
左移命令
例：乘法器设计
方案2：时间迭代－部分积左移累加算法
优点：直观 缺点：寄存器利用率低
例：乘法器设计
方案2：时间迭代－部分和右移与部分积累加算法
Ar-1 „„
累加寄存器A
A2 A1 A0
Qr-1
加命令
„„
Q2 Q1 Q0
系统设计 功能级 逻辑设计 结构级 物理设计 物理级
数字系统层次化结构
性能级： 要求回答开发系统“做 什么”这个问题 功能级： 把系统划分为若干子系 统
数字系统设计 的四个层次
结构级： 将模块的功能描述转化 为实现模块功能的具体 硬件和软件的描述 物理级： 物理级也称为电路级。它 把上一步描述功能的算法 转为物理实现
模块结构框图：以框图 的形式表示系统由哪些 模块组成以及模块之间 的相互关系。
模块功能说明：采用 自然语言或专用语言， 以算法形式描述模块 的输入/输出信号和模 块的功能、作用和限 制。
例：串行数据接收器
性能级设计
数据多少位？ 传输格式？ 传输速率？
信号电平？
其他？
设串行数据8位，奇校验，按RS232C格式传输（如 上图所示），TTL电平，传输速率≤100KBPS。要求并行 输出接收数据且指出所收数据是否有奇偶误差。
…
…
Rn
例：4位二进制加法器迭 代网络设计
分析：根据二进制数相加的运算规则可知，任意一位的和Si等于被加数 Ai、Bi及来自低位的进位Ci－1，而其进位Ci则为相加后的溢出值。 实现1：根据这个结构特性，选用全加器FA作为子网络的单元电路，以低 位向高位的进位值作为子网络的二次输入/输出，通过空间迭代法构 成的四位并行加法器如下图。通常最低位的进位输入Cin置为0，而
例：乘法器设计
1、性能级设计 4位数字乘法器。 2、结构级设计
例：乘法器设计
0 0 0 0
方案1：空间迭代
分析：方案1通过完全空间意义 上的迭代，实现4位二进制数相 乘的迭代网络。 特点：速度快、硬件复杂
a8
a8
a4
a2
a1 b1
B a4 a2
B a1
B
B
0
b2
B B a2 a1 b3 B B
0
性能级
系统设计
功能级
逻辑设计
结构级
物理设计
物理级
总结
模块技术
模块化技术就是将系统总的功能分解成若干个 子功能，通过仔细定义和描述的子系统来实现 相应子功能。
迭代技术
时间意义上的迭代 空间意义上的迭代 二维迭代网络
可编程专用芯片设计
专用芯片的设计要求：
为了将产品推出市场，必须保证产品符合一定的设 计要求。
例：串行数据接收器
系统结构级设计
设定输入输出变量
外部输入数据为X ，输出分别为Z(8位数据 )， C（输出标志），P（奇偶误差指示）。 其中： C=1 输出数据有效；C=0 输出数据无效 P=1 有奇偶误差； P=0 无奇偶误差 移位寄存器(R), 计数器(CNT), 触发器 (C), 触发器(P)和相关组合逻辑等 清零信号，移位信号，计数控制信号，触 发器P和触发器C置1置0信号等
设计举例：串行数据接收器
详述串行数据接收器的设计过程
设计举例：迭代技术
从逻辑设计转换成电路实现的物理设计过程当中，迭代是一类很有用 的技术。
可编程专用芯片设计的流程
数字系统层次化结构
数字系统设计过程可以分为四个层次：
性能级
1. 性能级 2. 功能级 3. 结构级 4. 物理级 系统设计：将性能级的说明映射为功能 级的设计过程 逻辑设计：将功能级的描述转换为结构 （逻辑）的过程 物理设计：将逻辑结构转换为物理级 （电路）的实现
入，在子网络内作串行处理后，串行输出到结果寄存器R1 ，„Rn 。
暂存单元C用于寄存子网络的二次输出，以便在时钟的下一个节拍作为子网 络的二次输入参加运算和操作。暂存单元C对应空间迭代方式中的边界输入。
A
子 网 络
R1
…
…
…
y1,j+1 ym,j+1
E