第01講：數字系統(tǒng)硬件設計概述

數字系統(tǒng)的VHDL設計通信工程學院郭杰北校區(qū)科技樓B-501E-mail:jguo@TelQ:1600273298課程信息20+20學時成績

--平時成績

--實驗部分

--設計報告先修課程

--模擬電子線路

--數字電路與邏輯設計

--專用集成電路設計等EDA工具軟件

--ISE,ModelSim,Synplify等硬件實驗平臺

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Xilinx-Spartan3E實驗開發(fā)

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Xilinx-DigilentBasys2實驗開發(fā)教材信息侯伯亨,劉凱,顧新.VHDL硬件描述語言與數字邏輯電路設計(第三版),西安:西安電子科技大學出版社,2009.參考資料學習網站

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/bbs參考書目--VHDL大學實用教程,喬廬峰等譯,北京:電子工業(yè)出版社,2011.--VHDL嵌入式數字系統(tǒng)設計教程,夏宇聞等譯,北京:北京航空航天大學,2011.課程內容“數字系統(tǒng)的VHDL設計”組合邏輯電路時序邏輯電路數字系統(tǒng)ASICFPGAVHDL語言使用VHDL語言在FPGA平臺上進行數字系統(tǒng)設計課程內容常用縮略語舉例EDA

ElectronicDesignAutomationHDL

HardwareDescriptionLanguageVHSIC

VeryHighSpeedIntegrated

CircuitVHDL

VHSICHDLASIC

ApplicationSpecificIntegrated

Circuit

FPGA

FieldProgrammableGateArray

現場可編程門陣列CPLD

ComplexProgrammableLogicDevice

復雜可編程邏輯器件SoC

SystemonChip課程內容數字系統(tǒng)硬件設計概述VHDL語言FPGA設計基礎數字系統(tǒng)設計(VHDL+FPGA)課程目標掌握VHDL語言熟悉EDA設計工具了解FPGA的相關知識學會基于FPGA平臺的數字系統(tǒng)設計VHDL語言所謂硬件描述語言(HDL,HardwareDescriptionLanguage)，就是可以描述硬件電路功能、信號連接關系及定時關系語言。它能比電原理圖更有效地表示硬件電路的特性。

VHDL語言VHDL的發(fā)展史

美國國防部在上個世紀70年代末和80年代初提出的VeryHighSpeedIntegratedCircuit,VHSIC計劃的產物。1981年提出了一種新的硬件描述語言，簡稱為VHDL(VHSICHardwareDescriptionLanguage)。VerilogHDL的發(fā)展史

GatewayDesignAutomation公司于1983年創(chuàng)建的仿真與驗證工具，之后又陸續(xù)開發(fā)了相關的故障仿真與時序分析工具，這是在C語言基礎上發(fā)展起來的一種硬件描述語言。1989年Cadence公司收購GDA公司并促進了VerilogHDL的發(fā)展。VHDL語言VHDL的標準化1987年12月VHDL被接納為IEEEstd-1076-1987標準，一般稱為VHDL’87。1993年進一步修訂，形成IEEEstd-1076-1993標準，稱為VHDL’93。隨后又經過陸續(xù)修訂，形成IEEEstd-1076-2002、IEEEstd-1076-2008等標準。VerilogHDL的標準化1990年Cadence公司公開發(fā)表VerilogHDL，并成立OVI組織促進其發(fā)展。1995年VerilogHDL成為IEEE標準，即IEEEstd-1364-1995。隨后又經過陸續(xù)修訂，形成IEEEstd-1364-2001、IEEEstd-1364-2005等標準。EDA設計工具EDA(ElectronicDesignAutomation)即電子設計自動化。EDA技術指的是以計算機硬件和系統(tǒng)軟件為基本工作平臺，繼承和借鑒前人在電路和系統(tǒng)、數據庫、圖形學、圖論和拓撲邏輯、計算數學、優(yōu)化理論等多學科的最新科技成果而研制成的商品化通用支撐軟件和應用軟件包。EDA旨在幫助電子設計工程師在計算機上完成電路的功能設計、邏輯設計、性能分析、時序測試直至PCB(PrintedCircuitBoard,印刷電路板)的自動設計。與早期的電子CAD軟件相比，EDA軟件的自動化程度更高，功能更完善，運行速度更快，而且操作界面友好，有良好的數據開放性和互換性，即不同廠商的EDA軟件可相互兼容。因此，EDA技術很快在世界各大公司、企業(yè)和科研單位得到了廣泛應用，并已成為衡量一個國家電子技術發(fā)展水平的重要標志。EDA設計工具傳統(tǒng)的數字系統(tǒng)設計只能對電路板進行設計，把所需的具有固定功能的標準集成電路像積木塊一樣堆積于電路板上，通過設計電路板來實現系統(tǒng)功能。利用EDA工具，采用可編程器件，通過設計芯片來實現系統(tǒng)功能，這樣不僅可以通過芯片設計實現多種數字邏輯系統(tǒng)功能，而且由于管腳定義的靈活性，大大減輕了電路圖設計和電路板設計的工作量和難度，從而有效地增強了設計的靈活性，提高了工作效率；同時基于芯片的設計可以減少芯片的數量，縮小系統(tǒng)體積，降低能源消耗，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。這種基于芯片的設計方法正在成為現代電子系統(tǒng)設計的主流。現在，只要擁有一臺計算機、一套相應的EDA軟件和空白的可編程邏輯器件芯片，在實驗室里就可以完成數字系統(tǒng)的設計和生產。當今的數字系統(tǒng)設計已經離不開可編程邏輯器件和EDA設計工具。數字系統(tǒng)設計概述什么是數字系統(tǒng)？數字系統(tǒng)的基本組成傳統(tǒng)數字系統(tǒng)設計方法現代數字系統(tǒng)設計方法什么是數字系統(tǒng)？數字系統(tǒng)是用來處理邏輯信息或以數字形式表示的物理量的電子器件組合。數字系統(tǒng)設計概述什么是數字系統(tǒng)？數字系統(tǒng)的基本組成傳統(tǒng)數字系統(tǒng)設計方法現代數字系統(tǒng)設計方法數字系統(tǒng)的基本組成控制電路運算電路應答信號控制信號輸入輸出接口數據輸出存儲器數據輸入系統(tǒng)核心系統(tǒng)核心：由組合邏輯和時序邏輯電路組成典型數字系統(tǒng)輸入輸出接口系統(tǒng)功能單元數字系統(tǒng)設計概述什么是數字系統(tǒng)？數字系統(tǒng)的基本組成傳統(tǒng)數字系統(tǒng)設計方法現代數字系統(tǒng)設計方法傳統(tǒng)數字系統(tǒng)設計方法自下至上的設計方法

--對系統(tǒng)的功能進行細化，合理劃分功能模塊

--選擇具體的元器件完成各個功能模塊的邏輯電路設計

--將各功能模塊連接起來，完成整個系統(tǒng)的硬件設計采用通用的邏輯元器件設計后期進行仿真和調試主要設計文件是電原理圖數字系統(tǒng)設計概述什么是數字系統(tǒng)？數字系統(tǒng)的基本組成傳統(tǒng)數字系統(tǒng)設計方法現代數字系統(tǒng)設計方法現代數字系統(tǒng)設計方法自上至下的設計方法--行為描述(對整個系統(tǒng)的數學模型的描述)--RTL描述，即寄存器傳輸描述，得到系統(tǒng)的邏輯表達式--邏輯綜合(利用邏輯綜合工具，將RTL方式描述的程序轉換成用基本邏輯元件表示的文件(門級網表))--實現(做成ASIC芯片或下載FPGA器件)可大量采用ASIC芯片或可編程邏輯器件系統(tǒng)早期仿真降低了硬件電路的設計難度主要設計文件是用HDL編寫的源程序自上至下(TopDown)的設計方法

自上至下(TopDown)的設計方法是首先從系統(tǒng)設計入手的，因而從頂層進行功能劃分和結構設計。

系統(tǒng)的總體仿真是頂層進行功能劃分的重要環(huán)節(jié)，這時的設計是與工藝無關的。由于設計的主要仿真和調試過程是在高層次完成的，所以能夠早期發(fā)現結構設計上的錯誤，避免設計工作的浪費，同時也減少了邏輯仿真的工作量。自上至下(TopDown)的設計方法方便了系統(tǒng)級劃分和管理整個項目，使得幾十萬門甚至