第1章电子系统设计概论

27五月2023第1章电子系统设计概论课程宗旨建立现代数字电子系统设计的概念；更新传统数字电路的设计观念，建立用PLD器件取代传统TTL器件设计数字电路与系统的思想更新数字系统设计手段，学会使用硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage）代替传统的数字电路设计方法（画电路图）来设计数字系统。1.1什么是数字系统？数字电子系统：简称为数字系统。是可以完成某种（或多种）特定的、功能不单一的一种电子系统。数字器件：即数字IC芯片。是构成数字系统的基本部件，是数字系统的“元素”或“细胞”。一个数字电子设备（产品），小到一个数字电子钟，大到一台数控车床或超级计算机，都是一个“数字电子系统”。数字系统与数字器件的主要区别数字系统一般应包含某种控制器及受控单元，并且功能不那么单一。例如：一个大规模集成的数字存储器，它一般只被认为是一个数字器件而非一个数字系统。而一个数字电子钟，虽然该数字钟的芯片集成度并不一定很高，但它却可被认为是一个数字系统。因为数字钟内不仅包含有受控单元（如计数器），也有某种控制器（如分频控制电路、校时、预置电路等）。并不仅仅只看系统是否相当复杂及芯片集成度的高低。计算机中使用的内存条一个声音处理系统应用中的数字系统芯片数字器件数字器件是构成数字系统的“元素”或“细胞”；标准TTL或CMOS数字集成电路（如各种门电路、计数器、寄存器、译码器等），是数字器件。最简单的逻辑器件是与、或、非门（74LS00，74LS04等），在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。近来人们已经能够在单一半导体芯片上设计、制造百万个以上的晶体管，这种高集成度的IC芯片已经开始具备以往一个数字系统的全部特性与功能，这就产生了现代所谓的“单片系统”（SOC，即SystemOnaChip）和SOPC。此时数字器件已发展成为数字系统由于单片系统集成度高、功耗低、功能强大，工作可靠，正受到人们越来越大的重视,今后必将会有光明的发展前景。数字器件焊在电路板上的数字器件给单片机作接口控制的数字芯片SOPC系统Sopc系统可编程逻辑器件可编程逻辑器件（PLD－－ProgrammableLogicDevice）是一种通用的电子器件，其功能不是固定不变的，而是可根据用户的需要而进行改变，即：可通过编程设计的方法来定义器件的逻辑功能。这颇类似于单片机的特性。但是PLD与MCU有基本的不同：MCU是通过软件（指令）来实现预期的功能；而PLD是通过内部硬件布线、以硬件来实现预期的功能。所以PLD完成逻辑功能的工作速度比MCU要快得多。1.2构建数字系统的途径1.标准化的中、小规模数字集成电路。特点：简单易用、价格低廉，应用广泛，集成度较低，功能受限。一般需要用较多的芯片才能构建一个数字系统,并需要进行大量的芯片间连线，致使系统构成复杂、功耗高、可靠性偏低。标准化的中、小规模数字集成电路是设计数字系统的基本方法之一。构建数字系统的途径－使用CPU、MCU及DSP2.基于LSI(大规模集成LargeScaleIntegration)或VLSI(超大规模集成技术（VeryLargeScaleIntegration）的微处理器。如各种通用或嵌入式CPU、MCU（微控制器）及数字信号处理器DSP。使用CPU、MCU及DSP的系统使用CPU、MCU及DSP构建数字系统特点：CPU、MCU、DSP依靠执行指令（软件）可以方便的实现几乎任意的数字逻辑功能，其应用灵活性极强。但这些微处理器一般需要一定的数字接口器件相配合才能有效工作；依靠执行软件来完成数字逻辑功能的工作方法导致其工作速度相对较慢，故在一些需要高速、实时工作的应用场合它们的应用就受到一定的限制。3.基于LSI或VLSI的专用集成电路ASICASIC(即ApplicationSpecificIC)是一种为完成某种特定的电路功能而专门设计、生产的IC器件。特点：需要专门设计/定制，大规模集成。性能强、功耗低、工作可靠性高、保密性高、大批量应用时成本也较低；但其功能专一且不能改变，不适宜在电子产品的研发阶段予以使用。ASIC分类：按功能的不同可分为：数字ASIC、模拟ASIC及混合型ASIC。综合言之，使用ASIC进行数字系统设计需要较高的开发费用、设计与制造周期也较长。所以ASIC只适合在大批量工业应用的场合中使用。4.基于LSI/VLSI的可编程逻辑器件PLD(Programmab1eLogicDvice)。PLD是一种从二十世纪70年代开始发展起来的一种完全由用户自行定义芯片逻辑功能的“通用型”数字器件。它可以看作是半定制ASIC的一个重要分支,也是目前数字电子技术中发展最为迅速的一个领域。芯片厂商将其作为一种通用数字器件进行设计、生产；而用户则可以在相应的EDA开发系统的支持下自行对PLD进行功能定义与设计。经过用户定义与设计的PLD器件就立即变成了具有用户所要求的特定功能的专用集成电路ASIC。如果设计有误，用户只需修改错误，重新对芯片进行定义配置即可。在这个意义上说，通用型的数字器件PLD可以归之为一种半定制的ASIC。显然这种具有即改即用特性的PLD器件的出现，使现代数字系统的设计与开发进入到了一种崭新的阶段。PLD的特点：由用户自定义器件的功能、大规模集成。设计周期短、设计风险低、应用灵活、系统功能强大、功耗低。用PLD来进行数字系统的开发与设计已成为现代电子设计的一种方向与潮流。百万门级的PLD芯片1.3可编程逻辑器件与EDA技术其实，最早的可编程逻辑器件就是可写入存贮器(PROM)，包括（三种）▲可编程只读存贮器(PROM)、▲紫外线可擦除的只读存贮器(EPROM)▲电可擦除只读存贮器(EEPROM)。由于结构的限制，这类芯片虽然能够完成一些简单的组合逻辑电路功能，但它们一般也只作为存贮器来使用。通用可编程逻辑器件到了20世纪70年代人们研制出了可编程逻辑器件，包括：▲PLA(Programmab1eLogicArray即可编程逻辑阵列)▲PAL(Programmab1eArrayLogic即可编程阵列逻辑)▲GAL(GeneralArrayLogic即通用阵列逻辑)。PAL/PLA/GAL器件的集成度一般都不超过1000门，故被称为简单可编程逻辑器件SPLD(SimpleProgrammab1eLogicDevice)。PLA因电路复杂、编程设计较困难，发展缓慢，很少应用。GAL是在PAL的基础上改进设计后问世，至今仍得到广泛应用。这些早期的SPLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性良好的数字逻辑功能，是取代74系列逻辑器件的通用数字芯片。但其相对简单的电路结构也使它们只适合完成不是太复杂的数字逻辑功能。传统的数字电路设计使用中、小规模器件设计电路（74、54系列与CD4000、CD4500系列）进行逻辑电路设计。各种门电路（74LS02/04/06）触发器（74LS74）编码器（74LS148）译码器（74LS154）比较器（74LS85）计数器（74LS193）移位寄存器（74LS194）………传统的数字电路设计方法逻辑（布尔）代数是数字电路理论基础数字电路设计的基本方法组合电路设计问题逻辑关系真值表化简(卡诺图)逻辑图时序电路设计列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图设计方法的局限卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。采用“搭积木”的方法的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。采用中小规模器件的局限电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，可靠性低－－应提高芯片的集成度设计比较困难－－将手工设计方法提升为计算机辅助设计方法（使用EDA设计工具）。电路存储、修改都麻烦－－使用EDA设计工具PLD器件与设计技术的出现改变了这一切PLD出现的背景电路集成度不断提高SSIMSILSIVLSI计算机技术的发展使EDA技术得到广泛应用设计方法的发展自下而上自上而下用户需要设计自己需要的专用电路与器件专用集成电路（ASIC－ApplicationSpecificIntegratedCircuits）开发周期长，投入大，风险大可编程器件(PLD)：开发周期短，投入小，风险小PLD器件的优点PLD集成度高，可以替代多至几千块通用IC芯片极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性CAD技术的发展提供了完善先进的EDA开发工具提供语言、图形、波形等设计方法，灵活、方便通过仿真工具来验证设计的正确性，提高设计的成功率。可以反复地擦除、编程配置，方便进行设计修改和升级。灵活地定义管脚功能，简化应用减轻设计工作量，缩短系统开发时间保密性好一个PLD芯片：GAL16V8复杂可编程逻辑器件20世纪80年代中期美国Altera公司和Xilinx公司分别推出了类似于PAL结构的扩展型复杂可编程逻辑器件CPLD(ComplexProgrammab1eLogicDvice)和与标准门阵列结构类似的现场可编程门阵列FPGA(FieldProgrammableGateArray)。CPLD/FPGA的集成度可做得很大（可达几万到几百万门/片），用它可以替代几十至几千块普通的标准数字集成芯片。用这样的CPLD/FPGA实际上就能实现一个数字系统或子系统。这种高功能、高集成度的器件目前在世界范围都受到电子设计人员的广泛关注和普遍欢迎。与专用ASIC芯片相比，CPLD/FPGA具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此已广泛应用于数字系统与数字产品的设计与生产中。几乎所有应用门阵列、ASIC、SPLD和中小规模通用数字集成电路的场合都可应用CPLD或FPGA器件。由于Altera公司的CPLD器件系列和Xilinx公司的FPGA器件系列开发较早，种类较多，功能最强，因此其知名度也最高，它们占用了较大的PLD市场分额。一个PLD芯片：EP1K100集成度10万门；内含约100个晶体管管脚数目：208个电源：3.3V（I/O）2.5V（内核）速度250MHz内部资源4992个逻辑单元10万个逻辑门49152bit的RAMPLD的发展趋势向高集成度、高速度方向进一步发展最高集成度已达到600万门向SOPC方向发展可设计片内CPU、DSP及接口控制电路，构成各种嵌入式系统。向低电压和低功耗方向发展，5V3.3V2.5V1.8V1.5V或更低内嵌多种功能模块RAM，ROM，FIFO，DSP，CPU向数、模混合可编程方向发展（内含ADC、DAC、PWM、PLL等）SOPC设计世界上主要的PLD生产厂家最大的PLD供应商之一FPGA的发明者，最大的PLD供应商之一ISP技术的发明者提供军品及宇航级产品Altera公司▲世界最大的可编程逻辑器件供应商之一。主要PLD产品有：MAX3000/7000/9000、FELX6K/8K/10K、ACEX1K、APEX20K、Cyclone、Stratics等系列。其中Cyclone、Stratics系列器件是SOPC器件。▲开发工具MaxplusII/QuartusII是一种相当成功的CPLD开发平台。在我国高校中使用面很大。对AHDL设计有很好的支持。▲但MaxplusII/QuartusII系统的VHDL/VerilogHdl综合能力不够强,须借助其他EDA公司的HDL综合工具才能很好的对VHDL/VerilogHdl设计进行深层次的设计与应用开发。Xilinx公司▲世界最大的可编程逻辑器件供应商之一。产品种类较全，主要有：XC9500/4000，Spartan,Vertex，Coolrunner(XPLA3)等。其开发软件为Foundition和ISE等，它们具有强大的系统设计、综合与仿真功能。Altera和Xilinx的CPLD/FPGA决定了PLD技术的发展方向，这两家公司的产品占了世界PLD市场份额约60％。EDA技术PLD器件尤其是大规模集成的CPLD/FPGA器件的设计与应用必须要得到电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation,即EDA）工具软件的支持。这是PLD器件与普通数字逻辑器件（如74/54系列TTL器件和CD4000系列CMOS器件）在应用方法上最显著的差异。随着数字集成电路集成度的提高，从：ＳＳＩ(SmallScaleIntegrasted,小规模集成，≤100半导体元件)、ＭＳＩ（MidleScaleIntegrasted,中规模集成，≤1,000半导体元件）ＬＳＩ(LargeScaleIntegrasted,大规模集成，≤10,000元件)ＶＬＳＩ(VeryLargeScaleIntegrasted，超大规模集成，>10,000半导体元件)；数字系统的设计方法，也随着同时代微电子技术和计算机技术的不断发展而从手工电路设计走向了电子设计自动化(EDA)设计的阶段。EDA设计EDA是以电子计算机为设计工具和设计平台、以电子线路硬件描述语言HDL(HardwareDescriptionLanguage)为主要系统描述手段，综合现代CAD（计算机辅助设计）、CAT（计算机辅助测试）、CAE（计算机辅助工程）技术、自动、高速的完成系统电路逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合、逻辑仿真、逻辑优化直至逻辑芯片版图实现，是一种自动化电子系统与IC设计的技术和设计工具。大规模或超大规模集成器件的开发与应用、电子系统功能的提高，使得相应的设计和验证变得十分复杂。手工化的电子设计已经难以开展甚至不可能进行,只有依靠计算机辅助设计，才能进行LSI和VLSI的设计与开发。EDA应用的三方面EDA主要能辅助进行4方面的系统设计与开发工作：1、电子线路设计;(如PROTEL中的SCH设计)2、PCB设计;(如PROTEL中的PCB设计)3、IC设计;(如CANDENCE公司的SPW系统)4、PLD设计(如MaxplusII/QuartusII中的GDF和HDL设计)没有EDA技术的支持，想要完成复杂的电子系统和大规模集成电路的设计与制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又对EDA技术提出新的要求。没有EDA技术的进步，就无法有效的设计与应用现代复杂电子系统和大规模集成电路芯片，也不会有现代电子技术的今天EDA技术的迅猛发展，使得整个电子系统设计与微电子器件设计的面貌发生了深刻改变。因此，学习和掌握电子系统的EDA设计方法和EDA开发工具，是我们掌握现代数字系统设计技术的必需之路。世界最知名的专业EDA公司1、CANDENCE公司2、SYNOPSYS公司3、