第一章数字系统概述PPT课件.ppt

数字逻辑II 西安石油大学计算机学院网络与接口教研室闫效莺 1 数字逻辑 学时 40学分 2 5实验 6学时教材 数字电路及VerilogHDL设计 康磊等编西安电子科技大学出版社 2 课程体系 类型 专业基础课先导课 模拟电子技术后续课 计算机组成原理 计算机组成与结构微机原理及应用单片机原理嵌入式系统 3 参考文献 1 夏宇闻 Verilog数字系统设计教程 北京航空航天大学出版社 2003 72 罗杰 VerilogHDL与数字ASIC设计基础 华中科技大学出版社 2008 3 4 课程要求 考勤 抽查点名 3次迟到或早退合1次旷课 若旷课次数超过总点名次数的1 3 取消考试资格 请假必须要有请假条 并且有辅导员的签字 实验 实验前预习 预习报告 无预习报告者不得进行实验 实验时遵守实验室规章制度 实验后提交实验报告 2次无故不做实验者 不允许参加考试 作业 按时提交 迟交作业者不予批改 作业成绩记入平时成绩 若发现抄袭 成绩以0分记 成绩评定方法 期末考试成绩占总成绩的70 80 平时成绩占20 30 其中实验成绩占总成绩的10 5 第1章数字系统设计概述 一 数字系统的基本概念数字信号数字电路数字系统二 数字系统的设计方法设计方法 自底向上 自顶向下设计流程三 EDA技术基础大规模可编程逻辑器件 硬件描述语言EDA软件开发工具 实验开发系统 6 1 模拟信号 模拟信号的特点 在时间和数值上连续变化的信号 时间上连续 幅值上也连续例如 温度 正弦电压 t 1 1数字系统的基本概念一 信号 模拟信号 数字信号 7 2 数字信号 数字信号 在时间和数值上都不连续 是离散变化的 例如 对工厂生产的产品进行计数 t 1 0 数字电路中的数字信号 数字量 只用1和0两种数码组成 表示 高电平 低电平有脉冲 无脉冲 0 1 0 1 1 1 0 1 处理模拟信号的电路 模拟电路处理数字信号的电路 数字电路 8 精确度较高 有较强的稳定性 可靠性和抗干扰能力 具有算术运算能力和逻辑运算能力 可进行逻辑推理和逻辑判断 逻辑运算是其最基本的运算形式 也称数字逻辑电路电路结构简单 便于制造和集成 使用方便灵活 1 数字电路的优点 二进制 1 1数字系统的基本概念二 数字电路 处理模拟信号的电路 模拟电路处理数字信号的电路 数字电路 9 2 数字电路基本元件及分类 集成电路IC分类 逻辑门电路实现基本逻辑运算的电子电路如与门 或门 非门等 触发器能够存储并记忆1位二进制信息的逻辑部件 小规模集成电路SSI SmallScaleIntegratedCircuit 中规模集成电路MSI MiddleScaleIntegratedcircuit 大规模集成电路LSI LargeScaleIntegratedcircuit 超大规模集成电路VLSI VeryLargeScaleIntegratedcircuit 甚大规模集成电路ULSI UltraLargeScaleIntegratedcircuit 巨大规模集成电路GSI GigaScaleIntegration 集成度 每块芯片或芯片每单位面积中包含的晶体管的数量 10 3 数字电路的研究方法 1 工作信号 数字信号2 主要研究对象 电路输入 输出之间的逻辑关系3 主要分析工具 逻辑代数4 主要描述工具 逻辑表达式 真值表 卡诺图 逻辑图 时序波形图 状态转换图等 11 1 1数字系统的基本概念三 数字系统 数字系统 能够存储 传输 处理以二进制形式表示的离散数据的逻辑模块 子系统的集合 组成框图 与功能模块电路的区别 组成结构中包含了控制电路典型例子 数字计算机 12 所需要的芯片个数多 占用电路板体积大 功耗大 可靠性差 难于实现复杂的逻辑功能 逻辑功能固定 一旦完成设计 很难再进行更改主要用于20世纪80年代之前 1 标准芯片 1 2数字系统的设计方法一 三类芯片 通用 具有固定逻辑功能的器件 如门电路 译码器 计数器等 设计方法 先选择芯片 依据芯片功能特点进行设计 缺点 优点 符合工程人员设计习惯 13 作为通用芯片 可批量生产 成本低 但又可编程配置实现不同的电路 设计后能实现专用集成电路ASIC的功能 大多数的PLD器件允许多次编程 便于系统修改 升级 维护 集成度高 可以实现更复杂的逻辑电路 如 FPGA 使用PLD设计的电路具有功耗低 体积小 可靠性高等优点 PLD器件成为了设计数字系统的一类主流器件 2 可编程逻辑器件PLD 1 2数字系统的设计方法一 三类芯片 具有通用的逻辑结构 但内部包含大量的可编程开关 用户编程配置这些开关为不同的状态 就能实现不同的逻辑功能 编程配置过程可以由最终的电路产品用户借助编程工具实现 而不必由芯片制造厂商来完成 优点 14 设计和开发周期长 产品投放市场时间长 生产过程中可能要经过多次反复的尝试 成本高 风险大 为降低成本 通常需要生产足够的数量 以降低每片的平均价格 通常用于微处理器 信号处理等大规模专用集成电路设计 3 定制芯片 1 2数字系统的设计方法一 三类芯片 生产方法 将设计好的电路交付半导体器件制造厂商 由厂商选择合适的技术生产满足特定性能指标芯片 缺点 优点 针对特定的应用需求生产 优化 更好的性能 实现更大规模电路 类型 全定制芯片 由设计者完全决定芯片内的晶体管数量 晶体管的放置位置 相互之间的连接方式等半定制芯片 在厂商预构建的一些电路的基础上 设计版图 再交付生产厂家进行生产 15 由于从底层独立模块的设计开始 系统的整体性能不易把握 而且只有在系统设计完成后 才能进行整体测试 一旦发现错误或系统不能满足某些指标要求 修改起来比较困难 1 设计方法 1 2数字系统的设计方法二 设计过程 自底向上 缺点 优点 符合硬件工程师的设计习惯 传统的使用标准芯片设计数字系统所采用的主要方法 16 划分后的基本模块往往不标准 制造成本可能很高 1 设计方法 1 2数字系统的设计方法二 设计过程 自顶向下 缺点 优点 易于对系统的整体结构和行为特性进行控制 便于多个设计者同时进行设计 用系统工程的方法对设计进行管理 便于修改维护 从系统的概念设计开始 依据系统功能需求 将整个系统划分为若干个相对独立的子系统 直至便于逻辑设计和实现的基本模块 设计关键 模块的合理划分划分过程可以不考虑硬件的功能特性 完全可以依据系统的功能需求进行 但划分应遵循以下的基本原则 各模块相对独立 功能集中 易于实现 模块间接逻辑关系明确 接口简单 连线少 17 2 设计流程 自顶向下 PCB 1 2数字系统的设计方法二 设计过程 明确设计要求 确定系统的整体设计方案 将系统划分为多个功能相互独立的子系统 模块 选择芯片 独立设计各个子系统 模块 定义各子系统 模块间的互连线路 将所有模块组合成完整系统 对设计完成的电路进行功能仿真 检测其逻辑功能是否正确 进行电路板的物理设计 包括确定电路板上每个芯片的物理位置 芯片之间的相互连接模式等 如Protel 对物理映射后的电路进行时序仿真 制作原型板 测试 投产 18 EDA的概念 1 3EDA技术基础 以大规模可编程逻辑器件为设计载体 以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式 以计算机 大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具 通过有关的开发软件 自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译 逻辑化简 逻辑分割 逻辑综合及优化 逻辑布局布线 逻辑仿真 直至对于特定目标芯片的适配编译 逻辑映射 编程下载等工作 最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门技术 19 EDA技术的主要内容 1 3EDA技术基础 大规模可编程逻辑器件硬件描述语言EDA软件开发工具实验开发系统 通常用于电路或系统设计的测试与验证 构成 可编程逻辑器件 编程 下载电路 输入 输出电路 如按键 开关 发光二极管 7段数码管 液晶显示屏等 信号产生电路 如时钟 脉冲 高低电平等 接口电路以及开发系统的扩展接口等 20 3 使用Verilog设计数字系统的优点 1 3EDA技术基础一 硬件描述语言HDL 1 自顶向下的分层次设计2 方便简单的设计输入3 电路和系统设计的兼容性4 成熟电路模块的共享和可重用性 21 1 3EDA技术基础二 EDA软件开发工具 1 设计输入将数字电路或系统的概念设计输入计算机 1 原理图输入原理图编辑环境 绘制逻辑电路图的各类工具 基本器件库 标准器件 厂家设计的较复杂逻辑模块 器件 2 HDL输入文本编辑环境 HDL输入方法简单 方便 更适合于描述复杂的大型数字电路和系统 Altera的Quartus Lattice的ispEXPERTXilinx的ISE套件 22 1 3EDA技术基础二 EDA软件开发工具 2 综合与优化将高层次描述的电路或系统转化为能与器件的基本结构相映射的一系列物理单元 如逻辑门 以及这些单元之间的互连 这个过程就是综合 综合器 完成综合过程的软件输入 原理图或HDL描述的电路输出 用来描述转化后的物理单元及其互连结构的文件 这个文件称为网表文件 综合器的综合过程必须针对某一PLD生产厂家的某一产品 因此综合后的电路是硬件可实现的 优化 综合器能够根据设计者性能参数定义的要求 自动选择更利于满足该性能指标的实现方式 23 1 3EDA技术基础二 EDA软件开发工具 3 布局布线 适配布局布线工具 也称为适配器 用于精确定义如何在一个给定的目标芯片上实现所设计的电路或系统 布局 为综合器产生网表文件中的各个逻辑功能块选择PLD芯片合适位置的模块去实现 布线 则是利用芯片中的互连线路连接各个布局后的逻辑功能块 适配器 输入 网表文件输出 配置文件 它包含了PLD中可编程开关的配置信息 可用于目标芯片最终实现 24 1 3EDA技术基础二 EDA软件开发工具 4 编程 下载将配置文件通过编程器或下载电缆下载到目标芯片中 从而完成设计电路或系统的物理实现 5 功能仿真和时序仿真 25 二 EDA的软件开发工具 将工程设计用文本 图形方式表达出来 原理图输入方式状态图输入方式VHDL Verilog软件程序的文本方式 26 二 EDA的软件开发工具 逻辑综合 将电路的高级语言描述转换成低级的 可与FPGA CPLD基本结构相映射的网表文件 逻辑映射过程 将电路的高级描述 针对给定硬件结构组件 进行编译 优化 转换和综合 最终获得门级电路甚至更底层的电路描述文件 网表文件 按照某种规定描述电路的基本组成及如何相互连接的