数字系统设计 - 设计方法论与抽象设计方法

1Spring2017ZDMC–Lec.#1数字系统设计

DigitalSystemDesign2Spring2017ZDMC–Lec.#1课程结构

数字理论知识(必备)数字系统和编码、逻辑代数、门电路数字电路分析与设计组合逻辑电路触发器、半导体存贮器、可编程器件时序逻辑电路脉冲电路与接口控制器与数字系统状态机控制器微码控制器测试和验证微处理器简介与设计指令集4位CPU什么是数字系统？3Spring2017ZDMC–Lec.#1讨论：你知道的数字系统有哪些？你想象的数字系统是怎样的？你希望了解的数字系统是什么？请踊跃发言！4Spring2017ZDMC–Lec.#1数字系统设计-------抽象级别

(DesignAbstractionLevels）n+n+SGD+DEVICECIRCUITGATEMODULESYSTEM数字系统5Spring2017ZDMC–Lec.#1仅仅用数字0/1来“处理”信息，以实现计算和操作的电子网络。层次

逻辑网络电子电路形式描述6Spring2017ZDMC–Lec.#1设计准则（DesignMetrics）如何评价数字电路的性能(FigureofMerit)成本Cost可靠性Reliability可扩展性Scalability速度Speed(delay,operatingfrequency)功耗Powerdissipation能耗Energytoperformafunction同步数字系统(DigitalSystems)同步数字硬件系统SynchronousDigitalHardwareSystems7Spring2017ZDMC–Lec.#1Exampledigitalrepresentation:acousticwaveformAseriesofnumbersisusedtorepresentthewaveform,ratherthanavoltageorcurrent,asinanalogsystems.同步（Synchronous）:“Clocked”-allchangesinthesystemarecontrolledbyaglobalclockandhappenatthesametime(notasynchronous)数字（Digital）:Allinputs/outputsandinternalvalues(signals)takeondiscretevalues(notanalog).8Spring2017ZDMC–Lec.#1数字系统例子-1数字计算机最大化性能-最小化成本计算器9Spring2017ZDMC–Lec.#1数字系统例子-2DigitalWatch便携数码产品最小化功耗. 电池可维持数年10Spring2017ZDMC–Lec.#1设计折中tradeoff设计规范

-功能性描述.性能，成本，功耗作为设计人员必须在约束条件下实现预期的功能。11Spring2017ZDMC–Lec.#1设计表达12Spring2017ZDMC–Lec.#1AnalogBasebandDigitalBaseband(DSP+MCU)PowerManagementSmallSignalRFPowerRFCell

Phone13Spring2017ZDMC–Lec.#1Roadrunner1Petaflops14Spring2017ZDMC–Lec.#11.Chip16cores2.ModuleSingleChip4.NodeCard32ComputeCards,OpticalModules,LinkChips,Torus5a.Midplane16NodeCards6.Rack2Midplanes1,2or4I/ODrawers7.System20PF/s3.ComputeCardOnesinglechipmodule,16GBDDR3Memory5b.I/ODrawer8I/OCards8PCIeGen2slotsBlueGene/QpackaginghierarchyRef:SC201015Spring2017ZDMC–Lec.#1Moore’sLaw–2xstuffper1-2yr现在已被宣布正式失效16Spring2017ZDMC–Lec.#1我们的学习目标数字电路设计的基础理论数字系统分析方法数字系统设计方法数字系统的输入输出接口数字系统实现和测试方法数字电路的设计来解决问题的基本技能数字处理器为什么是数字系统？17Spring2017ZDMC–Lec.#1为什么不是模拟系统？说说你认可的理由。

逻辑代数基础

（复习）19Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑代数概述基本概念-布尔代数

逻辑：

事物的因果关系

逻辑运算的数学基础：

逻辑代数

在二值逻辑中的变量取值：

0/1用简单(0/1)代数描述复杂性事物哲学思想simpleisbest20Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑代数中的三种基本运算

与（AND）或（OR）非（NOT）1）以A=1表示开关A合上，A=0表示开关A断开；

2）以Y=1表示灯亮，Y=0表示灯不亮；

三种电路的因果关系不同21Spring2017ZDMC–Lec.#1与-AND条件同时具备，结果发生Y=A

AND

B=A&B=A·B=AB真值表/truthtable图形符号ABY000010

00

11国标国际器件符号22Spring2017ZDMC–Lec.#1或-OR条件之一具备，结果发生Y=AORB=A+B真值表图形符号ABY0000111

011

11器件符号23Spring2017ZDMC–Lec.#1非-NOT(反相器)条件不具备，结果发生

真值表图形符号AY011024Spring2017ZDMC–Lec.#1几种常用的复合逻辑运算1与非-NAND或非-NOR与或非AND-NOR25Spring2017ZDMC–Lec.#1几种常用的复合逻辑运算2异或-EXCLUSIVEORY=A

BABY0000111

011

1026Spring2017ZDMC–Lec.#1几种常用的复合逻辑运算3同或-EXCLUSIVENOR/符合Y=A⊙BABY0010101001

1127Spring2017ZDMC–Lec.#1基本公式

运算规则：交换律、结合律、分配律、重叠律、互补律、反演律、还原律、逆；常用公式

符号的优先级：1）括号，2）非，3）与，4）或。逻辑代数的基本公式和常用公式28Spring2017ZDMC–Lec.#1基本公式根据与、或、非的定义，得布尔恒等式序号公式序号公式10

1′

=0;0′=110

A=0111+A=121A=A120+A=A3AA=A13A+A=A4AA′=014A+A′=15AB=BA15A+B=B+A6A(BC)=(AB)C16A+(B+C)=(A+B)+C7A(B+C)=AB+AC17A+BC=(A+B)(A+C)8(AB)′=A′+B′18(A+B)′=A′B′9(A′)′=A证明方法：推演真值表29Spring2017ZDMC–Lec.#1公式（17）的证明：

A+BC=(A+B)(A+C)

（1公式推演法）30Spring2017ZDMC–Lec.#1公式（17）的证明

（2真值表法）：ABCBCA+BCA+BA+C（A+B）(A+C)000000000010001001000100011111111000111110101111110011111111111131Spring2017ZDMC–Lec.#1若干常用公式序号公式21A+AB=A22A+A′B=A+B23AB+AB′=A24A(A+B)=A25AB+A′C+BC=AB+A′CAB＋A′C+BCD=AB+A′C26A(AB)′=AB′;A′(AB)′=A′32Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑代数的基本定理代入定理

------在任何一个包含A的逻辑等式中，若以另外一个逻辑式代入式中A的位置，则等式依然成立。33Spring2017ZDMC–Lec.#1代入定理-1应用举例：式（17）A+BC=(A+B)(A+C) A+B(CD)=(A+B)(A+CD) =(A+B)(A+C)(A+D)34Spring2017ZDMC–Lec.#1代入定理-2应用举例：式（8）35Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑代数的基本定理-2反演定理

-------对任一逻辑式

变换顺序先括号，然后乘，最后加

不属于单个变量的上的反号保留不变36Spring2017ZDMC–Lec.#1反演定理应用举例：37Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑函数LogicfunctionY=F(A,B,C,······)若以逻辑变量为输入，运算结果为输出；则输入变量值确定以后，输出的取值也随之而定。输入/输出之间是一种函数关系。注：在二值逻辑中，

输入/输出都只有两种取值0/1。逻辑函数及其表示方法38Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑函数的表示方法真值表逻辑式逻辑图logicdiagram波形图waveform/timingdiagram卡诺图计算机软件中的描述方式-VerilogHDL/VHDL各种表示方法之间可以相互转换39Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑真值表输入变量ABC····输出Y1Y2

····遍历所有可能的输入变量的取值组合输出对应的取值40Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑式将输入/输出之间的逻辑关系用与/或/非的运算式表示就得到逻辑式。逻辑图用逻辑图形符号表示逻辑运算关系，与逻辑电路的实现相对应。波形图将输入变量所有取值可能与对应输出按时间顺序排列起来画成时间波形。41Spring2017ZDMC–Lec.#1波形图42Spring2017ZDMC–Lec.#1卡诺图（重点，见第二讲）EDA中的描述方式

HDL(HardwareDescriptionLanguage)

VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuit…)VerilogHDL EDIF DTIF

。。。

43Spring2017ZDMC–Lec.#1举例：举重裁判电路ABCY00000010010001101000101111011111A:主裁判B/C:副裁判44Spring2017ZDMC–Lec.#1各种表现形式的相互转换真值表逻辑式例：奇偶判别函数的真值表A=0,B=1,C=1使

A′BC=1A=1,B=0,C=1使AB′C=1A=1,B=1,C=0使

ABC′=1这三种取值的任何一种都使Y=1,所以

Y=?ABCY0000001001000111100010111101111045Spring2017ZDMC–Lec.#1真值表逻辑式方法：找出真值表中使Y=1

的输入变量取值组合。每组输入变量取值对应一个乘积项，其中取值为1的写原变量，取值为0的写反变量。将这些变量相加即得Y。把输入变量取值的所有组合逐个代入逻辑式中求出Y，列表46Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑式逻辑图1.用图形符号代替逻辑式中的逻辑运算符。47Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑式逻辑图1.用图形符号代替逻辑式中的逻辑运算符。2.从输入到输出逐级写出每个图形符号对应的逻辑运算式。48Spring2017ZDMC–Lec.#1波形图真值表留给同学们思考：怎么转换？同一时刻不同输入->输入变量同一时刻不同输出->输出信号不同时刻不同输入->输入变化组合49Spring2017ZDMC–Lec.#1最小项m：m是乘积项包含n个因子n个变量均以原变量和反变量的形式在m中出现一次编号形式：积之和对于n变量函数有2n个最小项逻辑函数的两种标准形式

最小项之和最大项之积

50Spring2017ZDMC–Lec.#1最小项举例两变量A,B的最小项三变量A,B,C的最小项51Spring2017ZDMC–Lec.#1最小项的编号：最小项取值对应编号ABC十进制数0000m00011m10102m20113m31004m41015m51106m61117m752Spring2017ZDMC–Lec.#1最小项的性质在输入变量任一取值下，有且仅有一个最小项的值为1。全体最小项之和为1。任何两个最小项之积为0。两个相邻的最小项之和可以合并，消去一对因子，只留下公共因子。

------相邻：仅一个变量不同的最小项原理如53Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑函数最小项之和的形式例：利用公式可将任何一个函数化为54Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑函数最小项之和的形式例：利用公式可将任何一个函数化为55Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑函数最小项之和的形式例：利用公式可将任何一个函数化为56Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑函数最小项之和的形式例：57Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑函数最小项之和的形式例：58Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑函数最小项之和的形式例：59Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑函数最小项之和的形式例：60Spring2017ZDMC–Lec.#1最大项：重视M是相加项；包含n个因子。n个变量均以原变量和反变量的形式在M中出现一次。如：两变量A,B的最大项形式：和之积对于n变量函数2n个61Spring2017ZDMC–Lec.#1最大项的性质在输入变量任一取值下，有且仅有一个最大项的值为0；全体最大项之积为0；任何两个最大项之和为1；只有一个变量不同的最大项的乘积等于各相同变量之和。62Spring2017ZDMC–Lec.#1最大项的编号：重点最大项取值对应编号ABC十进制数1117M71106M61015M51004M40113M30102M20011M10000M063Spring2017ZDMC–Lec.#1最小项到最大项的转换64Spring2017ZDMC–Lec.#1逻辑函数的化简法逻辑函数的最简形式最简与或式

------包含的乘积项已经最少，------每个乘积项的因子也最少，

------称为最简的与-或逻辑式。65Spring2017ZDMC–Lec.#1公式化简法1反复应用基本公式和常用公式，消去多余的乘积项和多余的因子。例：

66Spring2017ZDMC–Lec.#1公式化简法2反复应用基本公式和常用公式，消去多余的乘积项和多余的因子。例：

67Spring2017ZDMC–Lec.#1公式化简法3反复应用基本公式和常用公式，消去多余的乘积项和多余的因子。例：

68Spring2017ZDMC–Lec.#1公式化简法4反复应用基本公式和常用公式，消去多余的乘积项和多余的因子。例：

69Spring2017ZDMC–Lec.#1名词解释TTL:transistor-transistorlogic晶体管逻辑ECL:emitter-coupledlogic发射极耦合逻辑电路MOS:metal-oxidesemiconductor金属氧化物半导体CMOS:complementarymetal-oxidesemiconductor互补金属氧化物半导体70Spring2017ZDMC–Lec.#1TransistorRevolutionTransistor–Bardeen(BellLabs)in1947Bipolartransistor–Schockleyin1949Firstbipolardigitallogicgate–Harrisin1956FirstmonolithicIC–JackKilbyin1959FirstcommercialIClogicgates–Fairchild1960TTL–1962intothe1990’sECL–1974intothe1980’s71Spring2017ZDMC–Lec.#1ENIAC-Thefirstelectroniccomputer(1946)72Spring2017ZDMC–Lec.#1

Intel4004Microprocessor197173Spring2017ZDMC–Lec.#1PackageTypes74Spring2017ZDMC–Lec.#1QuickIntroductiontoCAD(1)CAD=ComputerAidedDesignWhat’sthepoint?Source:Keutzer,EE24475Spring2017ZDMC–Lec.#1QuickIntroductiontoCAD(2)CADToolsSpecialEditorsDataProcessorsSynplifyProXilinxMap&PARToolsModelSimCADToolFlowThetoolsandtheorderinwhichtheyareappliedtoagivendesign76Spring2017ZDMC–Lec.#1QuickIntroductiontoCAD(3)77Spring2017ZDMC–Lec.#1assignOut=Q^In;always@(posedgeClock)begin if(Reset)Q<=1’b0;