數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計概述學(xué)習(xí)教案

1、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(shj)概述概述第一頁，共32頁。第1頁/共32頁第二頁，共32頁。第2頁/共32頁第三頁，共32頁。第3頁/共32頁第四頁，共32頁。第4頁/共32頁第五頁，共32頁。第5頁/共32頁第六頁，共32頁。 第一代 20世紀(jì)70年代，以加工制造為主導(dǎo)的IC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初級階段。集成電路的主流產(chǎn)品是微處理器、存儲器以及標(biāo)準(zhǔn)通用邏輯電路。第二代 20世紀(jì)80年代，代加工(Foundry)公司(n s)與IC設(shè)計公司(n s)的崛起。集成電路的主流產(chǎn)品為微處理器(MPU)、微控制器(MCU)及專用IC(ASIC)。第三代 20世紀(jì)90年代，IC產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向高度專業(yè)化轉(zhuǎn)化成為一種趨

2、勢，開始形成了設(shè)計業(yè)、制造業(yè)、封裝業(yè)、測試業(yè)獨(dú)立成行的局面。1.1.1 數(shù)字系統(tǒng)(xtng)和集成電路技術(shù)發(fā)展簡史第6頁/共32頁第七頁，共32頁。集成電路(jchng-dinl)的分類 1. 按工藝(gngy)分類，最主要的有： 金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor, MOS）工藝(gngy)； 晶體管-晶體管邏輯（Transistor-Transistor Logic, TTL）； 發(fā)射極耦合邏輯（Emitter Coupled Logic, ECL）。第7頁/共32頁第八頁，共32頁。2. 按生產(chǎn)目的分類(fn li)： 通用集成電路； 專用集成電路（Ap

3、plication Specific Integrated Circuit, ASIC）。3. 按實現(xiàn)方式（設(shè)計風(fēng)格）分類(fn li)：全定制（Full -Custom）方式；半定制（Semi-Custom）方式；第8頁/共32頁第九頁，共32頁。一個系統(tǒng)(xtng)級芯片結(jié)構(gòu)的示意圖 1.1.2 SOC第9頁/共32頁第十頁，共32頁。第10頁/共32頁第十一頁，共32頁。1.2.1 數(shù)字(shz)系統(tǒng)設(shè)計描述第11頁/共32頁第十二頁，共32頁。第12頁/共32頁第十三頁，共32頁。行為域描述強(qiáng)調(diào)(qing dio)的是行為，它說明電路的功能，即電路的輸入一輸出的關(guān)系，但與該行為的實現(xiàn)無

4、關(guān)。結(jié)構(gòu)域描述說明組成電路的各部件及部件問的拓?fù)溥B接關(guān)系，即互連功能部件的層次關(guān)系。物理域描述說明生產(chǎn)和制造物理實體所需要的信息(如幾何布局或拓?fù)浼s束等)第13頁/共32頁第十四頁，共32頁。晶體管級：晶體管級是最底層，主要(zhyo)構(gòu)件是晶體管、電阻等。門級：門級的主要(zhyo)構(gòu)件是門、觸發(fā)器等。寄存器級：寄存器級的主要(zhyo)構(gòu)件是算術(shù)邏輯單元、寄存器等。硬件模塊級：硬件模塊級的主要(zhyo)構(gòu)件是由寄存器級單元構(gòu)成的乘法器、加法器等硬件功能模塊。處理機(jī)級：處理機(jī)級是最高抽象層，主要(zhyo)構(gòu)件有CPU、存儲器、IO接口等。 抽象層次一般由結(jié)構(gòu)描述的粒度來區(qū)分，可以從低到高

5、分為五級：晶體管級、門級、寄存器級、硬件(yn jin)模塊級和處理機(jī)級。第14頁/共32頁第十五頁，共32頁。第15頁/共32頁第十六頁，共32頁。綜合與分析：綜合實際上是一個設(shè)計過程，是從行為域向結(jié)構(gòu)域的轉(zhuǎn)換或映射(yngsh)過程，分析則是與綜合相反的過程。抽象與細(xì)化：抽象是從物理域向行為域的轉(zhuǎn)換或映射(yngsh)過程，細(xì)化是均抽象相反的過程。生成與提?。荷墒菑慕Y(jié)構(gòu)域向物理域的轉(zhuǎn)換或映射(yngsh)過程，提取是與生成相反的過程。 第16頁/共32頁第十七頁，共32頁。 設(shè)計的抽象層次與其復(fù)雜度的關(guān)系呈現(xiàn)金字塔狀，隨著抽象層次(從晶體管級到系統(tǒng)(xtng)級)的增向，構(gòu)成的部件數(shù)日呈

6、減少趨勢。第17頁/共32頁第十八頁，共32頁。一個系統(tǒng)(xtng)在行為域、結(jié)構(gòu)域和物理域描述的簡單例子第18頁/共32頁第十九頁，共32頁。1.2.2 設(shè)計(shj)過程第19頁/共32頁第二十頁，共32頁。設(shè)計過程一般(ybn)由三個階段：設(shè)計輸入要求、系統(tǒng)設(shè)計和設(shè)計輸出要求組成。輸入規(guī)格輸出規(guī)格系統(tǒng)設(shè)計工具第20頁/共32頁第二十一頁，共32頁。第21頁/共32頁第二十二頁，共32頁。第22頁/共32頁第二十三頁，共32頁。第23頁/共32頁第二十四頁，共32頁。第24頁/共32頁第二十五頁，共32頁。一個典型(dinxng)的硬件軟件協(xié)同設(shè)計的流程圖第25頁/共32頁第二十六頁，共3

7、2頁?？梢圆捎闷俨?pb)流水模式或螺旋模式兩種模式瀑布(pb)流水模式螺旋(luxun)模式第26頁/共32頁第二十七頁，共32頁。1.2.3 設(shè)計(shj)過程1）自下而上(z xi r shn)的設(shè)計方法：自下而上(z xi r shn)的設(shè)計方法即結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。主要特點是按層次模塊化、結(jié)構(gòu)化。缺點：在系統(tǒng)設(shè)計的早期就將系統(tǒng)人為地分為硬件和軟件兩個部分，并先分別獨(dú)立進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計，軟件的開發(fā)受到硬件的嚴(yán)格限制。第27頁/共32頁第二十八頁，共32頁。2）自上而下的設(shè)計方法： 這種設(shè)計方法的思想是按從抽象到具體，從概念到實現(xiàn)的思路和次序進(jìn)行設(shè)計的，從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，自上而下地逐步將設(shè)

8、計內(nèi)容(nirng)細(xì)化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計。將系統(tǒng)的硬件設(shè)計分成3個層次：第一層次是對整個系統(tǒng)購數(shù)學(xué)模型的描述，稱為行為描述。第二層次是采用RTL方式導(dǎo)出系統(tǒng)的邏輯表達(dá)式，供邏輯綜合使用，稱為RTL方式描述。第三層次則是邏輯綜合第28頁/共32頁第二十九頁，共32頁。自上向下設(shè)計方法(fngf)的一個簡單實例 第29頁/共32頁第三十頁，共32頁。3）并行設(shè)計方法： 隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，深亞微米已經(jīng)投入實用，采用自上而下的設(shè)計方法進(jìn)行與工藝無關(guān)的高層次行為功能設(shè)計時并不考慮物理上的互連效應(yīng)和功耗等的影響，與實際情況差異較大，因而常常產(chǎn)生設(shè)計錯誤，造成設(shè)計反復(fù)，并行設(shè)計方法正是面對這一挑戰(zhàn)而提出來的。 并行設(shè)計方法的最大特點是，概念設(shè)計、功能設(shè)計及物理設(shè)計(物理布局規(guī)劃等)統(tǒng)一考慮，并行地進(jìn)行工作(gngzu)。充分利用各層次設(shè)計中的信息反饋，形成合理的約束集，并依此優(yōu)化設(shè)計。第30頁/共32頁第三十一頁，共32頁。