数字系统设计概述学习教案

1、数字系统设计数字系统设计(shj)概述概述第一页，共32页。第1页/共32页第二页，共32页。第2页/共32页第三页，共32页。第3页/共32页第四页，共32页。第4页/共32页第五页，共32页。第5页/共32页第六页，共32页。 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(n s)与IC设计公司(n s)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

2、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。1.1.1 数字系统(xtng)和集成电路技术发展简史第6页/共32页第七页，共32页。集成电路(jchng-dinl)的分类 1. 按工艺(gngy)分类，最主要的有： 金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor, MOS）工艺(gngy)； 晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic, TTL）； 发射极耦合逻辑（Emitter Coupled Logic, ECL）。第7页/共32页第八页，共32页。2. 按生产目的分类(fn li)： 通用集成电路； 专用集成电路（Ap

3、plication Specific Integrated Circuit, ASIC）。3. 按实现方式（设计风格）分类(fn li)：全定制（Full -Custom）方式；半定制（Semi-Custom）方式；第8页/共32页第九页，共32页。一个系统(xtng)级芯片结构的示意图 1.1.2 SOC第9页/共32页第十页，共32页。第10页/共32页第十一页，共32页。1.2.1 数字(shz)系统设计描述第11页/共32页第十二页，共32页。第12页/共32页第十三页，共32页。行为域描述强调(qing dio)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

4、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)第13页/共32页第十四页，共32页。晶体管级：晶体管级是最底层，主要(zhyo)构件是晶体管、电阻等。门级：门级的主要(zhyo)构件是门、触发器等。寄存器级：寄存器级的主要(zhyo)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(zhyo)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(zhyo)构件有CPU、存储器、IO接口等。 抽象层次一般由结构描述的粒度来区分，可以从低到高

5、分为五级：晶体管级、门级、寄存器级、硬件(yn jin)模块级和处理机级。第14页/共32页第十五页，共32页。第15页/共32页第十六页，共32页。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(yngsh)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(yngsh)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(yngsh)过程，提取是与生成相反的过程。 第16页/共32页第十七页，共32页。 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(xtng)级)的增向，构成的部件数日呈

6、减少趋势。第17页/共32页第十八页，共32页。一个系统(xtng)在行为域、结构域和物理域描述的简单例子第18页/共32页第十九页，共32页。1.2.2 设计(shj)过程第19页/共32页第二十页，共32页。设计过程一般(ybn)由三个阶段：设计输入要求、系统设计和设计输出要求组成。输入规格输出规格系统设计工具第20页/共32页第二十一页，共32页。第21页/共32页第二十二页，共32页。第22页/共32页第二十三页，共32页。第23页/共32页第二十四页，共32页。第24页/共32页第二十五页，共32页。一个典型(dinxng)的硬件软件协同设计的流程图第25页/共32页第二十六页，共3

7、2页。可以采用瀑布(pb)流水模式或螺旋模式两种模式瀑布(pb)流水模式螺旋(luxun)模式第26页/共32页第二十七页，共32页。1.2.3 设计(shj)过程1）自下而上(z xi r shn)的设计方法：自下而上(z xi r shn)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。第27页/共32页第二十八页，共32页。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

8、计内容(nirng)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。第三层次则是逻辑综合第28页/共32页第二十九页，共32页。自上向下设计方法(fngf)的一个简单实例 第29页/共32页第三十页，共32页。3）并行设计方法： 随着工艺技术的发展，深亚微米已经投入实用，采用自上而下的设计方法进行与工艺无关的高层次行为功能设计时并不考虑物理上的互连效应和功耗等的影响，与实际情况差异较大，因而常常产生设计错误，造成设计反复，并行设计方法正是面对这一挑战而提出来的。 并行设计方法的最大特点是，概念设计、功能设计及物理设计(物理布局规划等)统一考虑，并行地进行工作(gngzu)。充分利用各层次设计中的信息反馈，形成合理的约束集，并依此优化设计。第30页/共32页第三十一页，共32页。