电子系统设计基础1

1、电电 子子 系系 统统 设设 计计 基基 础础梁晓雯梁晓雯信息与计算机实验教学中心信息与计算机实验教学中心2016.2课程教材课程教材电子系统设计基础电子系统设计基础梁晓雯梁晓雯 李玉虎李玉虎 许瑛许瑛 编著编著中国科学技术大学出版社中国科学技术大学出版社, 2008参考书参考书n1.池保勇编著，模拟集成电路与系统，清华大池保勇编著，模拟集成电路与系统，清华大学出版社，学出版社，2009n2.郭齐胜等编著，系统建模原理与方法，国防郭齐胜等编著，系统建模原理与方法，国防科技大学出版社，科技大学出版社，2003n3.徐宝云，王文瑞编著，计算机建模与仿真技徐宝云，王文瑞编著，计算机建模与仿真技术，北

2、京理工大学出版社，术，北京理工大学出版社，2009n4.潘松，陈龙，黄继业编著，潘松，陈龙，黄继业编著， EDA技术与技术与VHDL （第（第4版），清华大学出版社，版），清华大学出版社，2013课时、成绩考核课时、成绩考核n课时：课时：40（课堂）（课堂）/40（实验），（实验），3学分学分n必修课必修课n成绩考核：成绩考核： 平时成绩（平时成绩（10%）+闭卷闭卷考试（考试（50%）+实验（实验（40%） 实验包括：实验操作成绩、实验报告成绩实验包括：实验操作成绩、实验报告成绩n先进电子系统先进电子系统实验室：西区电四楼实验室：西区电四楼202室室课程内容课程内容n介绍现代大规模复杂的电子

3、系统的设计方介绍现代大规模复杂的电子系统的设计方法和硬件实现等；法和硬件实现等；n主要特征是包含超大规模集成电路芯片主要特征是包含超大规模集成电路芯片（VLSI：Very Large Scale Integration） （IC：Integrated Circuit）；）；n偏重于硬件电路设计；偏重于硬件电路设计；课程教学目标课程教学目标n该课程可以使学生了解电子系统设计的该课程可以使学生了解电子系统设计的基本原理和方法，树立系统早期建模和基本原理和方法，树立系统早期建模和仿真的思想，掌握系统实现的主要技术，仿真的思想，掌握系统实现的主要技术，如如ASIC设计、可编程逻辑器件设计和设计、可编程

4、逻辑器件设计和DSP设计等。通过该课程的学习，学生设计等。通过该课程的学习，学生可以具备现代电子系统设计的基础知识可以具备现代电子系统设计的基础知识和一定的设计应用能力。和一定的设计应用能力。课堂讲授内容课堂讲授内容n现代电子系统设计的概念和方法现代电子系统设计的概念和方法（约（约3周）周）nVHDL语言（约语言（约3周）周）n数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）（约）（约3周）周）实验课内容实验课内容n可编程逻辑器件设计、可编程逻辑器件设计、VHDL编程实编程实验验6次；次；n数字信号处理器实验数字信号处理器实验4次；次；第第1章章 绪论绪论n电子电子系统系统通常是指由若干相互连接、相互

5、通常是指由若干相互连接、相互作用的作用的基本电路基本电路组成的具有特定功能的整组成的具有特定功能的整体电路。体电路。n电子系统的基本电路是由电子系统的基本电路是由电子元器件电子元器件组成组成的，电子元器件是元件和器件的总称。的，电子元器件是元件和器件的总称。n电子系统的实现是以电子元器件、基本电电子系统的实现是以电子元器件、基本电路为基础的，因此不同阶段，电子系统呈路为基础的，因此不同阶段，电子系统呈现出不同的特征。现出不同的特征。 电子管、晶体管、集成电路电子管、晶体管、集成电路n集成化的电子系统是现代大规模复杂系统集成化的电子系统是现代大规模复杂系统的发展趋势。的发展趋势。n产生新的系统设

6、计方法：产生新的系统设计方法：EDA技术技术（Electronic Design Automation）第一台计算机第一台计算机ENIAC，1946IBM-PC 1981晶体管晶体管中小规模集成电路中小规模集成电路目前的电子系统目前的电子系统超大规模集成电路超大规模集成电路天河一号天河一号A、天河二号超级计算机、天河二号超级计算机天河一号天河一号A（2010年）年）天河二号（天河二号（2013年）年）1.1电子系统设计的内容电子系统设计的内容n以微机为例以微机为例电子系统的设计主要体现在：电子系统的设计主要体现在：n系统模型：描述系统功能和性能的数学模系统模型：描述系统功能和性能的数学模型和算

7、法模型，使用相应的设计软件。型和算法模型，使用相应的设计软件。n集成电路芯片：将控制、运算和数据处理集成电路芯片：将控制、运算和数据处理等功能集成在半导体芯片上。等功能集成在半导体芯片上。nPCB板：连接各种芯片和元、器件，并使板：连接各种芯片和元、器件，并使整个系统的硬件实现满足电磁兼容的要求。整个系统的硬件实现满足电磁兼容的要求。国内现状国内现状n信息产业的基础是集成电路产业（信息产业的基础是集成电路产业（IC: Integrated Circuits产业）；产业）；n我国出台了相关的政策，设立重大专项，我国出台了相关的政策，设立重大专项，支持具有自主知识产权的芯片设计；支持具有自主知识产

8、权的芯片设计；n集成电路设计面临一些问题：集成电路设计面临一些问题： 高投入搭建高投入搭建“平台平台” 培养设计人才培养设计人才1.2 电子系统设计的方法电子系统设计的方法1.2.1 传统的电子系统设计方法传统的电子系统设计方法n采用自下而上（采用自下而上（Bottom Up）的设计过程）的设计过程;n采用通用的电子元、器件采用通用的电子元、器件;n在系统硬件电路设计完成后才能进行调试在系统硬件电路设计完成后才能进行调试;n主要设计文件是电路原理图。主要设计文件是电路原理图。（1）自下而上（自下而上（Bottom Up）的设计过程）的设计过程n根据系统要求，编写技术规格书；根据系统要求，编写技

9、术规格书；n系统进行细化，划分功能模块；系统进行细化，划分功能模块；n各功能模块的电路设计和调试；各功能模块的电路设计和调试；n系统硬件电路的设计和调试；系统硬件电路的设计和调试；n修改并完成整个系统的硬件设计。修改并完成整个系统的硬件设计。 系统总体目标及技术指标 购买元、器件 制作 PCB 板 并焊接 各模块调试 子系统调试 系统调试 系统完成 N 各模块具体电路设计 有问题否？ 有问题否？ 有问题否？ N N Y Y Y （2）采用通用的元、器件采用通用的元、器件n设计者根据需要，到市场上购买通用的设计者根据需要，到市场上购买通用的元、器件来构建自己的系统，然后进行元、器件来构建自己的系

10、统，然后进行焊接、调试等工作。焊接、调试等工作。（3）在系统硬件电路设计完成后才能进行在系统硬件电路设计完成后才能进行调试调试n调试工作必须在硬件电路搭建完成后才能调试工作必须在硬件电路搭建完成后才能进行。如果设计中有问题，则设计要重新进行。如果设计中有问题，则设计要重新进行，会耗费大量的人力物力，增加设计进行，会耗费大量的人力物力，增加设计时间。时间。 系统总体目标及技术指标 购买元、器件 制作 PCB 板 并焊接 各模块调试 子系统调试 系统调试 系统完成 N 各模块具体电路设计 有问题否？ 有问题否？ 有问题否？ N N Y Y Y （4）主要设计文件是电路原理图主要设计文件是电路原理图

11、n对于复杂的电子系统，会产生大量的电对于复杂的电子系统，会产生大量的电路原理图，归档、阅读、修改和使用都路原理图，归档、阅读、修改和使用都不方便。不方便。1.2.2 EDA技术的发展技术的发展n第一代，第一代，二十世纪七十年代二十世纪七十年代 ，版图的设版图的设计和印刷板（计和印刷板（PCB）的布局布线）的布局布线 ；n设计方法依然是自下而上；设计方法依然是自下而上；n代表厂商：代表厂商：Applicon, Calma和和Computer VisionPCB布局布线（布局布线（layout）版图实例版图实例n第二代，第二代，八十年代初八十年代初 ，门级电路的设计层门级电路的设计层次，功能包括逻

12、辑图设计输入、仿真、自次，功能包括逻辑图设计输入、仿真、自动布局布线和验证，版图将由工具自动生动布局布线和验证，版图将由工具自动生成；成；n是真正的是真正的EDA工具，设计效率提高工具，设计效率提高1010倍；倍；n代表：代表：Daisy, Mentor, Valid, Cadencen第三代，八十年代末，基于硬件描述语言第三代，八十年代末，基于硬件描述语言（HDL：Hardware Description Language）、）、仿真和综合设计。设计能力又提升仿真和综合设计。设计能力又提升1010倍；倍；n第四代，九十年代中期，系统行为级的设计，第四代，九十年代中期，系统行为级的设计，如采用

13、如采用System C方法进行复杂系统的设计。方法进行复杂系统的设计。1.2.3 EDA设计技术设计技术 EDA技术是以电子系统设计为应用方向的技术是以电子系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程，包括：电子产品自动化设计过程，包括：n以计算机为工作平台，以计算机为工作平台，n以以EDA软件工具为开发环境，软件工具为开发环境，n以硬件描述语言为设计语言，以硬件描述语言为设计语言，n以可编程器件（以可编程器件（FPGA等）为实验载体，等）为实验载体，n以以ASIC、SOC芯片为目标器件，芯片为目标器件，n以以PCB为连接架构。为连接架构。EDA技术自上而下的设计流程技术自上而下的设计流程HDL

14、：Hardware Description Language 硬件描述语言硬件描述语言ASIC: Application Special Integrated Circuit专用集成电路专用集成电路PLD: Programmable Logic Device可编程逻辑器件可编程逻辑器件 系统总体目标 HDL 编程（数电） 应用软件 系统性能/算法分析 DSP 实现 PLD 实现 ASIC 实现 系统硬件 系统软件 DSP 编程 算法（Algorithm） 结构 （Architecture） 实现（Implementation） PCB 设计 架构建立和分析（模电） EDA技术技术自上而下的设计流程自上而下的设计流程 自上而下（自上而下（Top Down）的系统设计）的系统设计方法，就是从系统总体要求出发，从上方法，就是从系统总体要求出发，从上层至下层逐步地将设计内容细化，然后层至下层逐步地将设计内容细化，然后完成系统硬件的整体设计。完成系统硬件的整体设计。 1.3 EDA技术的优势技术的优势n降低了系统硬件电路的设计难度；降低了系统硬件电路的设计难度；n采用系统设计早期的仿真技