数字系统设计概述
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数字系统设计概 述
教学目的
了解用自动设计工具设计电子线路的基 本方法和设计自动化工具的基本理论和 技术。 掌握硬件描述语言VHDL，能利用EDA工 具设计数字系统。
预备知识
1. 硬件设计的基础知识 数字逻辑 计算机组成原理 2. 算法的基础知识 程序设计语言 数据结构
教学大纲
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
每个阶段又分为综合、分析和验证三个步 骤。
综合：
为设计对象创建一个新的表示或提供现成表 示的细化。 （1）目标电路的预期功能一般是行为描述。 因此，与综合器配合使用的HDL应包含行 为描述的能力。 （2）综合的结果是一个设计方案。该设计 方案必须满足预期功能和约束条件的要求。
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：
抽象层次一般由结构描述的粒度来区 分，可以从低到高分为五级：晶体管级、 门级、寄存器级、硬件模块级和处理机级。
晶体管级：晶体管级是最底层，主要构件是晶体 管、电阻等。 门级：门级的主要构件是门、触发器等。 寄存器级：寄存器级的主要构件是算术／逻辑单 元、寄存器等。 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。 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。
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（TransistorTransistor Logic, TTL）； ·发射极耦合逻辑（Emitter Coupled Logic, ECL）。
分析： 对行为、结构和物理设计的正确性和完整性 作评价，即对性能、体积大小功耗等作评 价。
验证/确认： ：验证结构表示和物理表示的等效关系。 通常验证的方法有模拟或称仿真、规则检查 和形式验证三种。 仿真是从电路的描述抽象出模型，然后将 外部激励信号或数据施加于该模型，并观 察其响应，以判断是否实现了预定的功能。 规则检查的目的是分析各种数据的关系是 合符合规则。 形式验证则是利用理论证明的方法来验证 设计结果的正确性。
1. 2 数字系统设计方法
1.2.1 数字系统设计描述 数字系统设计信息的描述可以根据抽象 层次划分为行为域、结构域和物理域
行为域描述强调的是行为，它说明电路的 功能，即电路的输入一输出的关系，但与 该行为的实现无关。 结构域描述说明组成电路的各部件及部件 问的拓扑连接关系，即互连功能部件的层 次关系。 物理域描述说明生产和制造物理实体所需 要的信息(如几何布局或拓扑约束等)
一个典型完整的设计过程(自上而下）
一个典型的硬件／软件协同设计的流程图
可以采用瀑布流水模式或螺旋模式两种模式
瀑布流水模式
螺旋模式
1.2.3 设计过程
1）自下而上的设计方法： 自下而上的设计方法即结构设计方法。 主要特点是按层次模块化、结构化。 缺点：在系统设计的早期就将系统人为地 分为硬件和软件两个部分，并先分别独 立进行硬件和软件设计，软件的开发受 到硬件的严格限制。
1.1
数字系统发展概述
1.1.1 数字系统和集成电路技术发展简史
第一代 20世纪70年代，以加工制造为主导的IC 产业发展的初级阶段。集成电路的主流产品是微 处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。 第二代 20世纪80年代，代加工(Foundry)公司与 IC设计公司的崛起。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)。 第三代 20世纪90年代，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。
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）。
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)的增向，构成的部件数日呈减 少趋势。
一个系统在行为域、结构域和物理域描述 的简单例子
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。
1.
2.
3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
数字系统设计概述 数字系统的建模和结构 数字系统的算法描述 可编程逻辑器件和EDA开发工具 硬件描述语言VHDL 数字系统设计的基本步骤和技巧 仿真、逻辑综合 测试和可测试性设计 SOC和软硬件协同设计
1.数字系统设计概述
1.1 数字系统发展概述 1.2 数字系统设计方法
用Y图表Baidu Nhomakorabea自上而下的综合和设计过程
综合与分析：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。 抽象与细化：抽象是从物理域向行为域的转换或映射过 程，细化是均抽象相反的过程。 生成与提取：生成是从结构域向物理域的转换或映射过 程，提取是与生成相反的过程。
一个系统级芯片结构的示意图
1.1.3 EDA(Electronic Design Automation） EDA工具是为VLSI的设计、生产服务的， 因而它必须适应VLSI技术的要求。EDA 的发展可分为三个阶段： CAD(计算机辅助设计) 20世纪70年代 CAE(计算机辅助工程) 20世纪80年代 ESDA(电子系统设计自动化) 20世纪90年 代。
教学目的
了解用自动设计工具设计电子线路的基 本方法和设计自动化工具的基本理论和 技术。 掌握硬件描述语言VHDL，能利用EDA工 具设计数字系统。
预备知识
1. 硬件设计的基础知识 数字逻辑 计算机组成原理 2. 算法的基础知识 程序设计语言 数据结构
教学大纲
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
每个阶段又分为综合、分析和验证三个步 骤。
综合：
为设计对象创建一个新的表示或提供现成表 示的细化。 （1）目标电路的预期功能一般是行为描述。 因此，与综合器配合使用的HDL应包含行 为描述的能力。 （2）综合的结果是一个设计方案。该设计 方案必须满足预期功能和约束条件的要求。
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：
抽象层次一般由结构描述的粒度来区 分，可以从低到高分为五级：晶体管级、 门级、寄存器级、硬件模块级和处理机级。
晶体管级：晶体管级是最底层，主要构件是晶体 管、电阻等。 门级：门级的主要构件是门、触发器等。 寄存器级：寄存器级的主要构件是算术／逻辑单 元、寄存器等。 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。 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。
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（TransistorTransistor Logic, TTL）； ·发射极耦合逻辑（Emitter Coupled Logic, ECL）。
分析： 对行为、结构和物理设计的正确性和完整性 作评价，即对性能、体积大小功耗等作评 价。
验证/确认： ：验证结构表示和物理表示的等效关系。 通常验证的方法有模拟或称仿真、规则检查 和形式验证三种。 仿真是从电路的描述抽象出模型，然后将 外部激励信号或数据施加于该模型，并观 察其响应，以判断是否实现了预定的功能。 规则检查的目的是分析各种数据的关系是 合符合规则。 形式验证则是利用理论证明的方法来验证 设计结果的正确性。
1. 2 数字系统设计方法
1.2.1 数字系统设计描述 数字系统设计信息的描述可以根据抽象 层次划分为行为域、结构域和物理域
行为域描述强调的是行为，它说明电路的 功能，即电路的输入一输出的关系，但与 该行为的实现无关。 结构域描述说明组成电路的各部件及部件 问的拓扑连接关系，即互连功能部件的层 次关系。 物理域描述说明生产和制造物理实体所需 要的信息(如几何布局或拓扑约束等)
一个典型完整的设计过程(自上而下）
一个典型的硬件／软件协同设计的流程图
可以采用瀑布流水模式或螺旋模式两种模式
瀑布流水模式
螺旋模式
1.2.3 设计过程
1）自下而上的设计方法： 自下而上的设计方法即结构设计方法。 主要特点是按层次模块化、结构化。 缺点：在系统设计的早期就将系统人为地 分为硬件和软件两个部分，并先分别独 立进行硬件和软件设计，软件的开发受 到硬件的严格限制。
1.1
数字系统发展概述
1.1.1 数字系统和集成电路技术发展简史
第一代 20世纪70年代，以加工制造为主导的IC 产业发展的初级阶段。集成电路的主流产品是微 处理器、存储器以及标准通用逻辑电路。 第二代 20世纪80年代，代加工(Foundry)公司与 IC设计公司的崛起。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)。 第三代 20世纪90年代，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。
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）。
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)的增向，构成的部件数日呈减 少趋势。
一个系统在行为域、结构域和物理域描述 的简单例子
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。
1.
2.
3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
数字系统设计概述 数字系统的建模和结构 数字系统的算法描述 可编程逻辑器件和EDA开发工具 硬件描述语言VHDL 数字系统设计的基本步骤和技巧 仿真、逻辑综合 测试和可测试性设计 SOC和软硬件协同设计
1.数字系统设计概述
1.1 数字系统发展概述 1.2 数字系统设计方法
用Y图表Baidu Nhomakorabea自上而下的综合和设计过程
综合与分析：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。 抽象与细化：抽象是从物理域向行为域的转换或映射过 程，细化是均抽象相反的过程。 生成与提取：生成是从结构域向物理域的转换或映射过 程，提取是与生成相反的过程。
一个系统级芯片结构的示意图
1.1.3 EDA(Electronic Design Automation） EDA工具是为VLSI的设计、生产服务的， 因而它必须适应VLSI技术的要求。EDA 的发展可分为三个阶段： CAD(计算机辅助设计) 20世纪70年代 CAE(计算机辅助工程) 20世纪80年代 ESDA(电子系统设计自动化) 20世纪90年 代。