SoC设计方法与实现 教案-教学设计(1、2) 全异步电路设计、低功耗设计

《SoC设计方法与实现》教学设计对应章节：7.2全异步电路设计教学目标1.掌握亚稳态的基本概念和产生原因；2.掌握异步控制信号的同步和RTL实现。教学重点异步信号与同步电路交互的基本方法教学难点异步控制信号的同步教学方法与手段讲授、板书和幻灯片相结合教学进程中师生互动教师与学生一起讨论对异步信号进行同步的基本方法教学内容时间安排1.导入通过回顾之前数字逻辑电路设计或集成电路设计课程中讲解的有关异步电路的基本概念、异步电路和同步电路的区别，引入本章节要介绍的关于异步电路设计的相关问题。2.目标给出本次课的学习目标，要求大家：(1).掌握异步电路设计的基本概念；(2).掌握异步信号与同步电路交互的基本方法；(3).掌握异步控制信号的同步和RTL实现。3.前测课前要求同学提前预习本章节中有关异步电路基本原理以及优缺点。开始正式讲解本章内容前，通过判断难题和选题题形式进行前测，了解学生对基本概念的掌握情况。根据前测结果对教学内容和进度进行微调，如果平均准确度低于85%，则需要多花5-10分钟对异步电路的基本概念进行回顾。前测题题目如下：(1).判断题异步设计跟同步设计最大的不同就是它的电路中的数据传输可以在任何时候发生，电路中没有一个全局的或局部的控制时钟。（）(2).多选题下面关于异步电路设计描述正确的是（）。A.异步电路因为使用握手信号进行模块间的通信，模块互连后的功能不会受各个模块内部延时的影响，更不需要重新修改模块设计。B.异步电路使用握手信号进行通信，电路的延迟只会影响工作速度，不会影响电路行为，电路的物理设计比较简单，并且对工艺偏差不敏感。C.异步电路的性能由电路的平均延迟决定，理论上比同步电路可以达到更高的速度。D.异步电路则由数据驱动，仅在需要处理数据时才消耗能量，具有低功耗的潜力4.章节内容讲授(1).首先通过如图1所示的波形图，介绍亚稳态产生的原因。如图所示，如果异步信号adat的下降沿正好发生在bclk时钟的上升沿附近，这样就违反了触发器的建立时间或保持时间，从而第2个触发器锁定了一个不确定的值，这个值可以是1，也可以是0，更有可能是一个物理上的不定态x——无效电平的状态。这种违反了触发器保持或建立时间且使触发器锁存到一个无效电平的状态称作亚稳态现象。图1亚稳态示意图(2).然后，如下图2所示，讲解通过同步器解决亚稳态的方法。异步信号只有在经过目的时钟域的两级触发器采样后，才会对目的时钟域的后续电路起作用。这样的由双触发器构成的异步信号采样逻辑被称作同步器（Synchronizer）。如图2所示，虽然第一级触发器（bdat1）在采样异步信号的时候可能进入亚稳态，但是经过一个时钟周期的延时，当第二级触发器（bdat2）采样其输出端信号时，它已经回复到一个有效电平的稳定状态，从而第二级触发器不会再出现亚稳态，从而防止了亚稳态在整个电路中传播。图2亚稳态现象的解决办法(3).最后，讲解快时钟同步慢时钟域下的异步控制信号和慢时钟同步快时钟域下的异步控制信号的RTL代码，分别如图3和图4所示。在讲解过程中引导学生，和学生一起讨论两种情况下HDL的实现方案。图3快时钟同步慢时钟信号示意图图4慢时钟同步快时钟信号示意图5.后测通过发布小测验，检验学生课上学习情况，题目如下：(1).请简要说明亚稳态出现的原因以及避免亚稳态在电路中传播的方法。(2).请简述常见的异步控制信号的同步方法。6.总结对本节课堂教学内容进行总结，并布置作业。课堂总结：(1).回顾亚稳态产生的原因和解决办法。(2).梳理异步控制信号的同步方法。(3).布置作业：采用VerilogHDL实现异步控制信号的同步处理。5分钟5分钟5分钟20分钟5分钟5分钟《SoC设计方法与实现》教学设计对应章节：11.1～11.4低功耗设计教学目标1.掌握功耗的基本类型；2.掌握常见的低功耗设计技术。教学重点SoC中的低功耗设计技术教学难点SoC中的低功耗设计技术教学方法与手段讲授、板书和幻灯片相结合教学内容时间安排1.导入通过讲解数据中心和移动终端这两种当前常见的IT基础设施中存在的严重功耗问题，使学生理解进行低功耗设计的必要性和重要性，从而引出本章节的相关授课内容。2.目标给出本次课的学习目标，要求大家：(1).理解功耗的类型和产生原因；(2).掌握常见的低功耗设计方法；3.章节内容讲授(1).首先给出动态功耗的基本概念，它是由翻转电流和短路电流引起的功耗。其中，翻转电流引起的功耗称为翻转功耗，短路电流引起的功耗称为短路功耗。通过图1推导动态功耗的计算公式，，并分析公式中各组成部分含义。图1CMOS电路中的动态电流(2).然后，给出静态功耗的概念，它主要是由漏电流引起的功耗，其中漏电流由以下几部分组成：PN结反向电流I1，源极和漏极之间的亚阈值漏电流I2，栅极漏电流I3，栅极和衬底之间的隧道漏电流I4，如图2所示。警惕啊功耗的计算公式为。图2漏电流(3).最后，讲解常见的低功耗设计方法，包括：工艺优化、电压优化、门控时钟优化、门级优化。此外，讲授如何在SoC中通过软硬件结合的方法达到降低低功耗的目的。5.后测通过发布小测验，检验学生课上学习情况，题目如下：(1).下列有关功耗的叙述正确的是（）。多选题A.CMOS电路的功耗由静态功耗和动态功耗两部分组成。B.负载电容充放电时引起的功耗，称为动态功耗。C.漏电流引起的功耗，称为静态功耗。D.动态功耗又可进一步细分为翻转功耗和短路功耗。(2).请画出门控时钟的结构，并简