EDA技术及应用-基于FPGA的电子系统设计：电子系统设计导论

EDA技术及应用——基于FPGA的电子系统设计

电子系统设计导论1.1电子系统概述1.2电子系统的设计方法1.3电子系统的设计步骤1.1.1电子系统的组成1.1.2电子系统的分类1.1.3电子系统的指标1.1概述1.1.1电子系统的组成1、系统与电子系统

系统的定义

电子系统的定义2、电子系统的一般组成（1）系统与电子系统系统的定义：

系统是由两个以上各不相同且互相联系、互相制约的单元组成的、在给定环境下能够完成一定功能的综合体。

——单元：可以是元件、部件或子系统。

——一个系统又可能是另一个更大的系统的子系统。系统的特点：

功能与结构上具有综合性、层次性、复杂性。电子系统的定义

通常将由电子元器件或部件组成的能够产生、传输、采集或处理电信号及信息的客观实体称之为电子系统。

——例如，通讯系统、雷达系统、计算机系统、电子测量系统、自动控制系统等等。

——电子系统在功能与结构上具有高度的综合性、层次性和复杂性。

——电子系统的设计与分析方法是本章讨论的中心。IP：IntellectuanProperty知识产权。指5000门以上的硅功能块。有软核（HDL语言）、硬核（芯片版图）和固核（RT级HDL语言）。

当今电子产品的两大特点:1.产品的复杂性加深.根据Moore定律IC的复杂性大约每6年增加10倍；2.产品的上市时间与市场寿命减小,竞争加剧.延误市场周期产品寿命上市下市赢利适时上市的赢利三角形延误上市的赢利三角形时间产品市场窗口图（2）电子系统的一般组成

图1-1电子系统的一般组成组成：模拟子系统、数字子系统、微处理机子系统。

模拟子系统：传感、高低频放大、模/数、数/模变换及执行机构；

数字子系统：信息处理、决策、控制；

微处理机（信号处理DSP）子系统：CPU控制实现信息处理、决策、控制；1．按处理的信号形式分类

模拟电子系统

数字电子系统

混合电子系统当前的应用电子系统，一般都同时使用数字和模拟两类技术，两者互为补充，充分发挥各自优势，但对一个具体应用系统而言，使用技术的侧重点则有所不同，有的以数字技术为主，有的以模拟技术为主。1.1.2电子系统的分类模拟电子系统定义由若干模拟集成电路、单元电路和分立元器件组成，对模拟信号进行检测、处理、变换和产生的电子系统。

数字（电子）系统特点由若干数字电路和逻辑部件组成，处理及传送数字信号。定义凡是利用数字技术对数字信息进行处理、传输的电子系统。优点工作稳定可靠，抗干扰能力强；精确度高；便于大规模集成，易于实现小型化；便于模块化；便于加密、解密。模拟-数字混合电子系统定义由模拟电子电路和数字电子电路组成的电子系统。

应用主要用于过程控制和各种仪器仪表中，完成对如温度、压力、流量、速度等物理量的测量、控制和显示等。温度电压大信号数字信号控制信号模拟信号图1-2水温自动控制系统

2．按电子系统的功能分类非智能型：功能简单、功能固定的电子系统；智能型：一般可以将以微机或单片机为核心的系统为智能系统。智能型几个特点：

——必须有记忆力；

——有自学习能力；

——易于接受信息、命令；

——具有分析、判断、决策能力；

——可以控制或执行所作的决定。1.1.2电子系统的分类3．按电子系统的应用方向分类——测控系统。如：航天器飞行控制、工业控制；

——测量系统。如：电量、非电量的精密测量；

——数据处理系统。如语音、图像、雷达信息处理；

——通信系统。如：移动通信、数字通信、微波通信；

——计算机系统。

——智能家居系统。——智能交通系统。——智能楼宇系统。——智能安防系统。——机器人系统。谷歌人工智能-AlphaGo波士顿动力机器人-Altas1.1.3电子系统的技术指标——衡量电子系统的指标可能有功能、工作范围、容量、精度，灵敏度、稳定性、可靠性、响应速度和使用场合、工作环境、供电方式、功耗、体积重量等

；

——对不同系统而言，系统指标要求不同

；

——系统设计人员应根据系统类型、功能要求、指标要求，细化出每个待设计的子系统的技术指标以便进行设计

。自下而上的设计方法（BOTTOM-UP）自上而下（TDD）的设计方法（TOP-DOWN）1.2电子系统的设计方法（1）电子系统的层次性

根据用户要求→从现成的数字器件或子系统开始→对现有的组件或较小的系统或相似的系统加以修改、扩大和相互连接→构成能满足用户要求的新系统。

特点：

——无明显规律可循，完全凭经验；——系统的各项性能指标只有在系统构成后才能进行测试。如果系统问题较大，有可能重新设计。（2）自底向上的设计方法（BOTTOM-UP）设计过程：

根据用户要求和设计指标→描述系统功能→给出系统输入输出关系→构成系统总体框图(系统级)→并将它分解成功能单一的子系统→描述出子系统输入输出关系及子系统间相互关系(子系统级)

→设计或选用一些部件实现既定功能的子系统(部件级设计)→选用适当的元器件实现既定功能的部件(元件级设计)→上述过程反复循环，反复修正直致方案可行。设计过程：（3）自顶向下（TDD）的设计方法（TOP-DOWN）举例21特点传统方法现代方法采用器件通用型器件PLD设计对象电路板芯片设计方法自下而上自上而下仿真时期系统硬件设计后期系统硬件设计早期主要设计文件电路原理图HDL语言编写的程序表1-1数字系统的两种设计方法比较现代的数字系统设计方法基于芯片——采用PLD，利用EDA开发工具，通过芯片设计来实现系统功能。23计算机+EDA软件空白PLD+→数字系统通常采用自上而下（TopDown）的设计方法采用可编程逻辑器件在系统硬件设计的早期进行仿真主要设计文件是用硬件描述语言编写的源程序降低了硬件电路设计难度特点自行定义器件内部的逻辑和引脚写出真值表或状态表→EDA开发工具自动进行逻辑综合→模拟仿真→编程下载到PLD中1.3电子系统的设计的一般步骤——物理描述与设计：实现结构的具体形式、技术与工艺。（如物理类型、布局的几何式样、尺寸、位置和装配方法等）——行为描述与设计：系统、子系统、部件或元件等的功能；

——结构描述与设计：系统、子系统、部件或元件等的互连方式；说明——行为描述与设计：如移动电话：双工通话功能、来电显示功能、存储功能、时钟/闹钟功能、计算机接口功能；接收/发射频率、调制方式、待机时间、连续通话时间、供电电池电压、尺寸和重量等；

——结构描述与设计：系统、子系统、部件或元件等的互连方式；

如移动电话：确定用户操作界面、移动电话与GSM网之间的信息交换的方式和协议、确定与计算机之间的连接方式与协议等；

——物理描述与设计：实现结构的具体形式、技术与工艺。（如物理类型、布局的几何式样、尺寸、位置和装配方法等）如移动电话：机壳、操作按键、显示屏、与外部连接接插件的外形、尺寸、材料及工艺等。1.模拟系统设计步骤

（1）任务分析、方案比较、确定总体方案；（2）将系统划分为若干相对独立的功能块，画出系统的总体组成框图；（3）以实现各功能块的集成电路为中心，通过选择和计算完成各个功能单元外接电路与元件的配置；（4）单元之间耦合的核算及电路的整体配合与调整，以得到一个比较切合实际的系统整体电路原理图；（5）根据第3、4步的结果，重新核算系统的主要指标，检查是否满足要求且留有一定余地；（6）画出系统元器件布置图和印刷电路板的布线图，并考虑其测试方案，设置相关的测试点。（7）计算机模拟仿真。尽管模拟系统自动化设计的电子设计自动化（EDA）软件少，但还是可以利用一些仿真软件，如利用PSPICE、Multisim、EWB、AltiumDesigner等进行辅助电路设计。2.数字系统设计步骤

（1）明确设计要求拿到一个设计任务，首先要对它进行消化理解，将设计要求罗列成条，每一条都应是无二义的。这一步是明确待设计系统的逻辑功能及性能指标。在明确了设计要求之后应能画出系统的简单示意方框图，标明输入、输出信号及必要的指标。（2）确定系统方案明确了设计要求之后，就要确定实现系统功能的原理和方法，这一步是最具创造性的工作。同一功能可以有不同的实现方案，而方案的优劣直接关系到系统的质量及性能价格比，因此要反复比较与权衡。常用方框图、流程图或描述语言来描述系统方案。系统方案确定后要求画出系统方框图和详细的流程图，如有需要还应画出必要的时序波形图。（3）受控器的设计根据系统方案，选择合适的器件构成受控器的电路原理图，根据设计要求可能还要对此电路原理图进行时序设计，最后得到实用的受控器电路原理图。（4）控制器的设计根据描述系统方案的模型导出MDS图（MemonicDocumentStateDiagram，可译为助记状态图，或备有记忆文档的状态图），按照规则及受控器的要求选择电路构成控制器，必要时也要进行时序设计，最后得到实用的控制器电路原理图。然后再将控制器和受控器电路合在一起，从而得到整个系统的电路原理图。（5