《asic原理及应用》PPT课件.ppt

2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 1 ASIC原理及应用 主讲 信息与通信学院谢跃雷 副教授 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 2 第二章ASIC算法模型设计 数字系统的描述方法数字系统算法设计算法流程图算法结构 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 3 2 1数字系统模型 为便于分析和设计数字系统 有必要选择适当的模型对系统进行描述 数字系统的动态模型和算法模型是两种基本的有效模型 一 动态模型 指在数字逻辑设计中 采用传统的状态转换图 状态转换表 状态方程 输出方程 时序图 真值表 卡诺图等描述工具的数字系统称为动态模型 数电学过的描述方法 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 4 例 设计一个串行数据检测电路 当连续输入3个或3个以上 1 时 电路输出为 1 其它情况下输出为 0 例如 输入X101100111011110输出Z000000001000110 状态表 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 5 二 算法模型 对于较复杂的数字系统 动态模型难以适用 数字技术人员现今普遍采用算法模型来描述和设计数字系统 算法模型思想 将系统实现的功能看作是应完成的某种运算 若运算太复杂 可把它分解成一系列子运算 子功能 若子运算还较复杂 可以继续分解 直到分解为一系列简单运算 然后按一定的规律 顺序地或并行地进行这些简单的基本运算 从而 实现原来复杂系统的功能 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 6 数字系统的算法模型通常具有两大特征 1 含有若干子运算 数据存储 读取 算术运算 逻辑运算等 2 具有相应的控制序列 控制子运算按一定的规律有序地执行 算法就是有基本运算及规定的运算顺序所构成的完整的解题步骤 就是解决问题的方法 事实证明 任何一个系统都可以用算法模型来进行描述 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 7 例 设计一个串行数据检测电路 当连续输入3个或3个以上 1 时 电路输出为 1 其它情况下输出为 0 例如 输入X101100111011110输出Z0000000001000110求其算法模型 解 实现该系统功能应由三个存贮单元R1 R2和R3 分别存放输入信号x t 1 x t x t 1 的数据 然后再根据以下检测规则决定输出Z 1 当x t 1 x t x t 1 1 输出Z 1即Z R1 R2 R3 2 其它情况Z 0 每经过一次检测 则将后进入的数据取代先进入的数据 又送进一个新的数据 此过程周而复始地进行 以上就是串行数据检测算法 如何描述该算法模型 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 8 图2 1 3序列检测系统算法流程图 开始 t 0Z 0 t t 1 Z 1 Z 0 R1 R2 R3 1 NO YES 以图形像地给出了需要进行的操作以及进行这些操作的条件和顺序 与软件设计中的流程图十分相同 称为算法流程图 算法流程图描述算法后 可借助编程语言来设计实现 可用如C语言 Matlab语言 建模仿真 以验证算法 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 9 moduleser detector z x clk inputx clk outputz regr1 r2 r3 initialbeginr1 0 r2 0 r3 0 endalways posedgeclk beginr3 r2 r2 r1 r1 x endassignz r1endmodule 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 10 Modelsim仿真结果 synplify综合结果 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 11 三 算法流程图 算法模型可以描述任何系统 其二大特征子运算或子操作及操作顺序 正确描述算法模型的工具应具备 应有一组符号和规则 描述系统的各种运算或操作及顺序 本层次的描述应为变换成下一层次的描述提供足够的信息 描述方法应简明易学 目前广泛使用的工具 算法流程图 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 12 1 工作块 工作块是一个矩形块 块内用简要的文字公式来说明应进行的一个或若干个操作及应输出的信号 计数器清零 三个运算操作 特点 工作块描述的操作与具体硬件之间并无对应关系 即可以用不同的硬件实现 工作块描述的操作不一定在一个时钟周期内完成 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 13 2 判断块 CNT 8 CNT0 A1 A0 CNTCNT 1 FD0 FD1 FD 00 10 01 NO YES 图2 2 1判断块 判断块的符号是菱形 块内给出判断变量及条件 条件满足与否决定不同的操作 称为分支 判断块有多个变量 可能构成多个分支 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 14 3 条件块 条件块总源于判断块的一个分支 仅当该分支条件满足时 条件块中标明的操作才执行 且立即执行 条件块规定的操作与特定条件有关 故称为条件操作 工作块规定的操作无前提条件 故称为无条件操作 这是两者的不同之处 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 15 4 开始与结束 图2 2 3开始块与结束块 开始 结束 开始块与结束块的符号是椭圆块 用于标注算法流程图的首 尾 当流程图的首 尾比较明确时 也可省略开始块和结束块 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 16 三种基本结构 A B a b 顺序结构 当p为 真 当p为 假 选择结构 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 17 循环结构 A a b p1 Y While型循环 N 当p1为 真 当p1为 假 A a b p2 N Until型循环 Y 当p2为 真 当p2为 假 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 18 数字系统的算法设计过程的两个关键是子运算和控制顺序 1 子运算列出问题中所有的变量与常量列出变量间所有可能的关系 运算评估运算的可实现性 2 控制顺序仔细分析问题 列出解决问题的子运算的可能顺序 并优化 四 数字系统的算法流程图 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 19 实例1 设计一个自动报纸销售机 设计 个简单的数字电路用于电子的报纸售卖机的投币器 假设报纸价格为1 5元 投币器只能接受5角和1元的硬币 必须提供适当数目的零钱 投币器不找钱 合法的硬币组合包括1个5角的硬币和1个1元的硬币 3个5角的硬币 1个1元硬币和1个5角的硬币 2个1元的硬币是合法的 但是投币器不找钱 当投币满足时 送出一份报纸 假定投入硬币由传感器获得2位数字信号AB表示 00 无投币01 5角10 1元 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 20 AB Coin coin Coin coin 10 Coin coin 5 Coin 15 Paper 1 rst 变量 ABcoinpaper投入硬币coin coin AB 0 5 10 coin 15时paper 1比较完成后 根据结果进行coin清零 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 21 实例2 雷达接收回波信号中找出目标反射信号 即一个数学问题 从m个输入n位二进制数x中找出最大值和最小值的系统 运算结果存储在r max及r min输入的数据暂时存储在r需要两个比较器进行大小比较 comp1 com2比较完成后 根据结果进行数据交换数据需要一个计数器i 对输入的数据进行计数 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 22 r r max r max r r r min r min r 结束 i m 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 23 modulemax min finder r max r min x clk input 7 0 x inputclk output 7 0 r max r min reg 7 0 r max r min reg 7 0 r reg 9 0 i initialbeginr max x r min x i 0 end always posedgeclk beginir max r max r if r r min r min r endendendmodule 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 24 Modelsim仿真结果 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 25 2 2算法模型设计 数字系统设计的第一步 就是确定系统功能 设计人员必须仔细地研究和分析用户提出的要求 并与用户一起 制定出一张精确的系统设计任务书 该任务书详细规定了系统的逻辑功能和技术指标 它是设计人员进行设计 研制 测试及用户进行验收的依据 在系统的逻辑功能确定之后 设计人员面临的任务就是考虑如何实现这些功能 即求出实现功能的方法 算法 本节学习如何根据设计任务书 推导出系统算法模型 即求出算法流程图 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 26 一 算法模型设计方法 建立算法模型是数字系统十分关键的一步 同时也是十分困难的一步 建立算法模型的过程 是把错综复杂的实际问题简化 抽象为合理的数学结构的过程 要通过调查 收集数据资料 观察和研究实际对象的固有特征和内在规律 抓住问题的主要矛盾 建立起反映实际问题的数量关系 然后利用数学的理论和方法去分析和解决问题 这就需要深厚扎实的数学基础 敏锐的洞察力和想象力 对实际问题的浓厚兴趣和广博的知识面 除找出所有的子运算外 按控制顺序的获取算法模型的设计方法有以下几种 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 27 1 跟踪法对于以控制为主的系统 可按照确定的系统功能 由控制要求逐步细化 逐步具体化 从而导出的系统算法称为跟踪法 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 28 例1 设计一4X4扫描键盘系统 能够响应按键 输出相应的键值 图2 3 1键盘扫描框图 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 29 扫描键盘原理 如何判断按键按下 判断键位 在列向量依次加扫描信号 由行向量的值判断那个按键按下 键盘一般会有5 10ms抖动 应去抖动 1 1 1 1 0 0 0 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 30 扫描键盘原理 1 1 1 1 0 0 0 变量 输入row输出colcodekey flagcode F row col key flag G row col 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 31 开始 等按键 按键防抖 有键按下 No 键盘扫描 Yes 找闭合键 置有效位 闭合键释放 YES NO No Yes 计算键值 需要考虑以下问题 1 如何防按键抖动 硬件防按键抖动 延迟防抖 2 如何进行键盘扫描 依次置col 0001 0010 0100 1000 查看row的值 3 如何计算键值 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 32 开始 Wait keyCol 15 delay10ms Row 0 YES Col 1 NO Row 0 YES NO Row 0 Col 2 Row 0 YES NO Col 4 Row 0 Col 8 Row 0 YES YES YES C reg colR reg rowCode Row 0 Col 15 YES NO NO NO NO 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 33 例2 设计一个十字路口交通灯控制系统 东西道为主道 南北道为副道 如果东西道 EW 及南北道 NS 均有车 则东西道每次通行60秒 绿灯 南北道每次通行40秒 绿灯 如果仅有一个通道有车 则禁止无车通道 红灯 如果两通道均无车 则禁止南北道 通道转换时 绿灯通道均需停车3秒 黄灯 控制信号 输出灯光信号NSRedNSGeenNSYellowEWRedEWGeenEWYellow 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 34 0 0 1 1 分析 由题目得十字路口交通灯控制器大致流程图 细化问题 1 如何判断有无车 传感器 NSCAREWCAR 2 如何定时 如何启动定时 定时器 TM60ENTM60TM40ENTM40TM3ENTM3 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 35 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 十字路口交通灯算法流程图 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 36 2 解析法当遇到难以分解的计算过程时 采用数学分析对其进行数值近似 转换成多项式或某种迭代过程 然后画出其算法流程图的方法称之为解析法 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 37 例 设计的算法流程图 最简单的除法实现 采循环减除数 减到不能再减为止 循环次数太多 采用移位减法计算除法 可以大大减少循环次数 即a与除数b的左移位作比较 例1200 3 30206121122222432348424965251926263847277688281536929 移位次数 1200 1200 768 432 商q a b 432 384 48 48 48 0 商q 28 27 24 400 余数m 48 48 0 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 38 k 0c b a c 0 Y q q 2k 1 a b a a c 2 N m a c 2 m b 结束 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 39 例 设计的算法流程图 分析 问题的核心是求x的平方根 一种常用的方法是牛顿逐次逼近法 方法的核心是给出一个的估算值y0 用子运算y1 y0 x y0 2 求得y1 同理求得y2 y3 逐次递进 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 40 设x 3 令y0 1 其计算过程为 序号yW x yV y WU V 201342121 53 51 7521 751 7143 4641 732131 73211 732003 46411 73205 通过解析 将平方根的运算转化成W x y y W U V 2三种基本运算 由此可设计出算法的流程图 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 41 开始 w x y READx y y0 u y w 2 u y 允许的误差 结束 No y u 开始 w x y READx y y0 u y w 2 u y 允许的误差 结束 Yes 算法的流程图 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 42 3 综合法 在实际应用中 大部分数字系统的算法比较复杂 总是要综合 全面地考虑 逐步分解逻辑关系 最后获得完整的算法流程图 所以 把跟踪法 归纳法 划分法 解析法等几种设计算法组合起来应用的方法称为综合法 注 因为系统的逻辑功能种类繁多 采用的方法和手段也多种多样 至今尚没有找到可以设计出各种算法的通用的规则 方法 步骤 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 43 例 试设计一个人体电子秤控制装置的算法流程 该人体电子秤控制装置应能有序 正确地管理以下功能的实现 1 进行人体体重的测量 并能以3位十进制数字显示体重的千克数 2 进行人体身高的测量 井能以3位十进制数字显示高度的厘米数 体重和身高显示器公用 3 由体重和身高的实测信息 并根据被测对象的具体状况 男性或女性 成人或儿童等 自动计算并显示被测对象属于偏瘦 适中 偏胖3种类型的哪一种 4 为简化设计 允许不考虑消除电子秤自重的功能 常称去皮重功能 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 44 荷重传感器 位移传感器 放大器 放大器 A D 身高体重处理芯片 数码管显示 打印结果 体重 身高 图2 3 2电子秤整体框图 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 45 分析 身高体重需要通过传感器转换成电信号 再经放大整理 AD变换后的数据方可进行处理 是一数 模混合电路模型 VL表示身高信号 放大后经8位AD变换后00H 0cm FFH 225cmVw表示体重信号 放大后经8位AD变换后00H 0kg FFH 225kg 身高 体重的测量过程是 电子秤未进行测量时 控制装置处于等待状态 只有当按动start按钮 接收start 1信号时 开始一次人体身高和体重的测量 接收到start 1信号 首先测量身高 表示身高的模拟信息VL经八位A D转换为数字量 并经寄存 码制转换 由8段显示器显示出3位十进制数表示的身高数据 此时单位显示cm 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 46 按动weight按钮 产生weight 1信号 系统进行体重测量 表示体重的模拟信息Vw经A D转换为另一组数字量 经存储 码制变换和处理 显示3位十进制数表示的体重数据 此时单位显示kg 对于上述测得的身高 体重两组数字量 进行数据计算和判别 由计算结果判别出被测对象胖 瘦程度 并正确显示偏胖 适中或偏瘦3种情况之一 判断规则如下 L实测身高 W实测体重 K1 K2为常数 对于男性成人K1 105cm 女性成人k1 100 k2 3 8cm 则有 a L k1 W标准体型b L K1 K2L K1 k2偏胖 由以上分析可得其算法流程图如下 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 47 开始 VL A D L K1 与w比较 偏瘦 wait start YES NO 结束否 YES NO 存储转换显示L 延时 Weight Vw A D YES 结束否 存储转换显示W L k1 k2 与w比较 L k1 w L k1 k2 与w比较 L k1 k2 w L k1 k2 w 适中 偏胖 YES YES YES YES NO NO NO NO NO 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 48 2 4算法结构 算法是由许多子运算组成的 在各子运算之间存在一个执行方法和次序问题 这就是算法结构 三种主要算法结构 顺序结构并行结构流水线结构 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 49 顺序算法结构是指在执行算法的整个过程中 同一时间只进行一种或一组相关的子运算 图2 4 1是顺序算法结构 顺序结构的两种情况 在每个时间段中 仅有一个子运算操作 各子运算之间逐个按规定的次序进行 OP1 OP2 OP3 OP4 OP5 0 t1 t2 t3 t4 t5 一 顺序算法结构 图2 4 1顺序算法结构 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 50 OP1 OP2 OP3 OP4 OP5 OP6 OP7 OP8 0 t1 t2 t3 t4 t5 在顺序算法结构中 若输入要处理的数据是单个元素Di 完成该数据的算法流程需经L个时间段 而每段的平均时间为 t 则完成该数据运算的时间为t L t 若含有n个元素的数据流输入时 总的运算时间为Ts n t n L t 在同一时间里 有时仅有一个子操作 但有时有一组子运算操作 特点 速度慢 结构简单 硬件成本低 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 51 二 并行算法结构 并行算法是指在同一时间段中 有多条路径在同时进行运算 在这些同时执行的子运算操作之间是相互独立的 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 52 注意点 OP1到OP2 OP3 OP4的转移决不是顺序算法中的条件转移 因为条件转移有判断条件决定 总是有一条后操作路径 OP2 OP3 OP4也不是顺序算法中同时执行的一组操作 因它们之间互不关联 OP5 OP6 OP10 OP11为顺序运算路径中的一组相互有关的操作 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 53 并行算法完成运算的时间 在并行算法结构中 若待处理数据是单元素Di 它完成运算的时间为t L t其中L 是并行算法流程经过的运算段数若含有n个元素的数据流输入时 并行结构算法总的运算时间为Tp n t n L t 特点 运算速度快 硬件成本高 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 54 三 流水线操作算法结构 流水线处理是高速设计中的一个常用设计手段 如果某个设计的处理流程分为若干步骤 而且整个数据处理是 单流向 的 即没有反馈或者迭代运算 前一个步骤的输出是下一个步骤的输入 则可以考虑采用流水线设计方法来提高系统的工作频率 2020 3 26 桂林电子科技大学信息与通信学院 55 例如要对1000个数据x n 进行处理 处理输出结果y n 每个数据需要4个处理步骤 若每个步骤处理时间均需1个时钟周期T 则顺序结构需1000 4 T 可采用如下流水结构 1clock 2clock 3clock