1.1數字系統的基本概念

1.2數字系統的設計方法

1.3EDA技術基礎

習題第1章數字系統設計概述

1.數字信號

數字系統的一個典型特征就是能夠表示并處理離散的信息量。離散的信息量是非連續物理量的數值表述，這樣的物理量稱為數字量。

數字量在數字系統中只采用0、1兩種數碼表示，因為只有兩種取值，所以稱為二進制。1.1數字系統的基本概念表示0、1兩種數碼的兩種不同狀態，可以是低電平和高電平，也可以是無脈沖和有脈沖等。

這類用于表示數字量，且參數具有離散特征的電信號稱為數字信號。圖1.1.1給出了數字量110100010的兩種數字信號波形。圖(a)中高電平表示“1”，低電平表示“0”；圖(b)中有脈沖表示“1”，無脈沖表示“0”。圖1.1.1數字信號

2.數字電路

工作于數字信號的電路稱為數字電路。數字電路采用二進制，1、0兩種數碼正好對應于兩種邏輯狀態：真和假，因此可方便地進行邏輯運算和邏輯處理。邏輯運算是數字電路最基本的運算形式，因此數字電路也稱為數字邏輯電路。數字電路中，實現基本邏輯運算的電子電路稱為門電路，如用于實現“與”運算的與門、實現“或”運算的或門等。采用少量的幾個門電路還可以很容易地構成一種能夠存儲并記憶1位二進制信息的邏輯部件，稱為觸發器。門電路和觸發器是數字電路最基本的電路單元。早期的門電路是由導線將晶體管、電阻等獨立的元件連接形成的，稱為分立元件門電路。從20世紀60年代開始，構成門電路或觸發器的電子電路可以被制作于一塊半導體芯片中，形成了目前廣泛應用的集成電路IC(IntegratedCircuit)。

集成電路的一個重要指標是集成度。集成度指每塊芯片或芯片每單位面積中包含的晶體管的數量，通常用于表示集成電路的規模。集成門電路和集成觸發器的結構簡單，只包含幾個少量的晶體管，集成度低，規模小，因此被稱為小規模集成電路SSIC(SmallScaleIntegratedCircuit)。但從此后，隨著集成電路技術的迅速發展，更多的晶體管，甚至是整個電路都能夠被制作于一片芯片中，形成了規模更大的集成電路。

按照摩爾定律，芯片的集成度每1~2年就能提高一倍，有望在2012年達到9718×106晶體管/片。

3.數字系統

一直以來，數字電路的一項主要研究內容就是如何實現對數字信息的可靠存儲、方便快速的運算及滿足應用需求的各種操作處理。為達到這一目標，通常需要將多個數字電路的功能模塊有機地組織成一個電子系統，在控制電路的統一協調指揮下，完成對數字信息的存儲、傳輸和處理等操作，這樣的系統稱為數字系統。數字系統的實現基于數字電路技術，處理的是以二進制形式表示的具有離散特征的數據。從這個角度看，數字系統就是能夠存儲、傳輸、處理以二進制形式表示的離散數據的邏輯模塊/子系統的集合。數字系統的組成框圖如圖1.1.2所示，通常由控制電路、輸入電路、輸出電路、功能單元電路和時基電路組成。輸入電路引入外部信號，如開關、按鍵的狀態等。輸出電路送出數字系統的處理結果，如將處理結果在發光二極管、七段數碼管或液晶顯示器上輸出顯示。功能單元電路按系統設計要求完成對數據信息的加工處理，通常包括存儲電路和運算電路。不同應用目的的數字系統對數據有不同的處理操作要求，功能單元電路的結構與功能也不盡相同，

復雜程度也可能有較大差異。有些系統的功能單元電路本身可能又由多個電路模塊構成，因此在圖中用虛線框表示。輸入電路、輸出電路和功能單元電路在數字信息的處理過程中執行具體的任務，它們需要在控制電路的統一調度指揮下，協調有序地動作，才能保證處理任務的正確執行。時基電路為所有的電路模塊提供所需的定時信號。圖1.1.2數字系統組成框圖數字系統區別于功能模塊電路的一個典型特點就是在其組成結構中包含了控制電路。控制電路在時基電路產生的定時信號的作用下，按照數字系統設計的算法流程進行狀態轉移，在不同的狀態條件下產生不同的用于控制其他各部件的控制信號，協調各部件的動作，實現自動連續的處理過程。一個典型的例子就是數字計算機。1.2.1三類常用芯片

1.標準芯片

標準芯片集成度通常都較低(一般低于100晶體管/片)，只能實現一些簡單、固定的邏輯功能。使用標準芯片設計數字系統時，需要先選擇合適的芯片，利用芯片實現基本的邏輯功能模塊，然后再根據系統邏輯功能需求，決定各模塊之間的連接方式。多個具有不同邏輯功能的模塊相互連接，可搭建構成更大的邏輯電路。1.2數字系統的設計方法采用標準芯片的設計方法主要用于20世紀80年代之前，其缺點是：

(1)所需要的芯片個數多，占用電路板體積大，功耗大，可靠性差，難于實現復雜的邏輯功能。

(2)邏輯功能固定，一旦完成設計，就很難再進行更改。

2.可編程邏輯器件PLD

可編程邏輯器件PLD(ProgrammableLogicDevice)是20世紀70年代開始發展起來的一類集成電路器件。

PLD的優點主要表現在以下幾個方面：

(1)PLD作為通用芯片，可批量生產，成本低，但又可編程配置實現不同的電路，設計后能實現專用集成電路ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的功能。

(2)大多數的PLD器件允許多次編程，便于系統的修改、升級和維護。

(3)PLD的集成度高，與標準芯片相比，可以實現更復雜的邏輯電路。目前應用最廣泛的一類PLD器件是現場可編程門陣列FPGA(FieldProgrammableGateArray)，其集成度可達到千萬級以上晶體管/片，甚至可以將整個系統制作于一個芯片內。由于大部分電路都可以在芯片內實現，因此，相對于標準芯片，使用PLD設計的電路具有功耗低、體積小、可靠性高等優點。

3.定制芯片

定制芯片按照其設計與生產的方式，可分為全定制芯片和半定制芯片兩類。全定制芯片由設計者完全決定芯片內的晶體管數量、晶體管的放置位置、相互之間的連接方式等。半定制芯片是在廠商預構建的一些電路的基礎上由用戶設計版圖，再交付生產廠家進行生產的。比如廠商可預構建一些標準單元或門陣列，用戶基于這些標準單元或門陣列設計電路，然后由廠商根據用戶的需求布線連接各單元，生產出滿足功能與性能需求的芯片。相對于全定制芯片，半定制芯片可以減少設計的復雜性，縮短設計開發周期，但性能要差一些。定制芯片的缺點是：

(1)設計和開發周期長，產品投放市場時間長。

(2)生產過程中可能要經過多次反復的嘗試，成本高，風險大。為降低成本，通常需要生產足夠的數量，以降低每片芯片的平均價格。

定制芯片通常用于微處理器、信號處理等大規模專用集成電路。1.2.2數字系統的設計過程

1.設計方法

1)自底向上

自底向上的設計方法是傳統的使用標準芯片設計數字系統時所采用的主要方法。

2)自頂向下

自頂向下的設計過程從系統的概念設計開始，描述并定義系統的行為特性，并在系統級進行仿真測試。依據系統的功能需求，將整個系統劃分為若干個相對獨立的子系統。

若子系統規模較大，還可以繼續劃分，直至劃分為便于邏輯設計和實現的基本模塊。這一劃分過程不必考慮硬件的功能特性，完全可以依據系統的功能需求進行，但劃分應遵循以下基本原則：

(1)各模塊相對獨立，功能集中，易于實現。

(2)模塊間接邏輯關系明確，接口簡單，連線少。自頂向下的設計方法從系統的整體結構向下，逐步求精，由高層模塊定義下層模塊的功能和接口，易于對系統的整體結構和行為特性進行控制。其次，劃分后的每個子系統/模塊相互獨立，一方面便于多個設計者同時進行設計，對設計任務合理分配，用系統工程的方法對設計進行管理；另一方面，當設計不能滿足某一方面的要求時，也便于將修改過程定位于某些具體的模塊，若保持模塊間的接口方式不變，則這種修改不會影響到其他電路模塊的設計與實現，因此能夠大大地縮短系統設計周期。模塊的合理劃分是設計的核心所在。

自頂向下設計方法的缺點是劃分后的基本模塊往往不標準，制造成本可能很高，而自底向上的方法采用標準單元，較為經濟，但可能不能滿足一些特定指標的要求。復雜數字系統的設計過程常采用這兩種方法的結合，以綜合平衡多個目標。

2.數字系統設計流程

數字系統產品通常由一塊或多塊印刷電路板(PrintedCircuitBoard，PCB)構成。一個典型例子是微型計算機的主機板，它將多個用于實現邏輯功能的集成電路芯片以及一些其他的部件安裝于電路板上，通過電路板的布線構成一個完整的系統。自頂向下的數字系統產品設計的一般流程如下：

(1)明確設計要求，確定系統的整體設計方案。

(2)將系統劃分為多個功能相互獨立的子系統/模塊。

(3)選擇芯片，獨立設計各個子系統/模塊。

(4)定義各子系統/模塊間的互連線路，將所有模塊組合成完整系統。

(5)對設計完成的電路進行功能仿真，檢測其邏輯功能是否正確。

(6)進行電路板的物理設計，包括確定電路板上每個芯片的物理位置、芯片之間的相互連接模式等。

(7)對物理映射后的電路進行時序仿真。

(8)制作原型板、測試及投產。1.3.1硬件描述語言HDL

1.硬件描述語言的概念

硬件描述語言HDL(HardwareDescriptionLanguage)是一種以文本形式描述數字電路和數字系統的語言。1.3EDA技術基礎

2.VHDL與Verilog

VHDL的首字母V是英文縮寫VHSIC(VeryHighSpeedIntegratedCircuit)的第一個字母，因此，其中文翻譯應為甚高速集成電路硬件描述語言(VHSICHardwareDescriptionLanguage)。

Verilog于1983年初創于GDA(GatewayDesignAutomation)公司。

3.使用Verilog設計數字系統的優點

1)自頂向下的分層次設計

2)方便簡單的設計輸入

3)電路和系統設計的兼容性

4)成熟電路模塊的共享和可重用性1.3.2EDA軟件開發工具

1.設計輸入

1)原理圖輸入

2)HDL輸入

2.綜合與優化

3.目標芯片布局布線/適配

4.編程/下載

5.功能仿真與時序仿真1.3.3EDA芯片的設計開發流程

在EDA軟件工具的支持下，PLD芯片的設計開發流程可以用圖1.3.1表示。圖1.3.1EDA芯片設計與開發流程

1.舉出幾個日常生活中用到的數字系統的例子。

2.解釋下列術語：

VLSIPLDPCBEDAHDL

3.什么是數字信號？如果用高電平表示1，低電平表示0，試畫出表示數字量01001101的數字信號。習題

4.集成度指什么？按集成度，集成電路可分為哪些類別？

5.數字系統中控制電路的作用是什么？

6.基于半定制芯片的數字系統設計