数字系统设计-同步数字系统

数字系统设计DigitalSystemDesign,2,2015ZDMCLec.#1,设计准则（DesignMetrics）,如何评价数字电路的性能(FigureofMerit)成本Cost可靠性Reliability可扩展性Scalability速度Speed(delay,operatingfrequency)功耗Powerdissipation能耗Energytoperformafunction,3,2015ZDMCLec.#1,同步数字系统(DigitalSystems),同步数字硬件系统SynchronousDigitalHardwareSystems,Exampledigitalrepresentation:acousticwaveformAseriesofnumbersisusedtorepresentthewaveform,ratherthanavoltageorcurrent,asinanalogsystems.,同步（Synchronous）:“Clocked”-allchangesinthesystemarecontrolledbyaglobalclockandhappenatthesametime(notasynchronous)数字（Digital）:Allinputs/outputsandinternalvalues(signals)takeondiscretevalues(notanalog).,4,2015ZDMCLec.#1,数字系统例子-1,数字计算机最大化能效,-最小化成本,计算器,5,2015ZDMCLec.#1,数字系统例子-2,数字手表可穿戴设备,最小化功耗.电池可维持数年,数字系统设计例子-3,TheTROJANPROOFCHIP,6,2015ZDMCLec.#1,7,2015ZDMCLec.#1,设计折中,设计规范-功能性描述.性能（速度）成本（复杂性）功耗（能量消耗）作为设计人员必须在约束条件下实现预期的功能。,8,2015ZDMCLec.#1,设计表达,9,2015ZDMCLec.#1,CellPhone,10,2015ZDMCLec.#1,BlueGene/QComputechip,360mmCu-45technology(SOI)1.47Btransistors16user+1serviceprocessorsplus1redundantprocessorallprocessorsaresymmetriceach4-waymulti-threaded64bitsPowerISA1.6GHzL1I/Dcache=16kB/16kBL1prefetchengineseachprocessorhasQuadFPU(4-widedoubleprecision,SIMD)peakperformance204.8GFLOPS55WCentralsharedL2cache:32MBeDRAMmultiversionedcachewillsupporttransactionalmemory,speculativeexecution.supportsatomicopsDualmemorycontroller16GBexternalDDR3memory1.33Gb/s2*16byte-wideinterface(+ECC)Chip-to-chipnetworkingRouterlogicintegratedintoBQCchip.ExternalIOPCIeGen2interface,System-on-a-Chipdesign:integratesprocessors,memoryandnetworkinglogicintoasinglechip,11,2015ZDMCLec.#1,1.Chip16cores,2.ModuleSingleChip,4.NodeCard32ComputeCards,OpticalModules,LinkChips,Torus,5a.Midplane16NodeCards,6.Rack2Midplanes1,2or4I/ODrawers,7.System20PF/s,3.ComputeCardOnesinglechipmodule,16GBDDR3Memory,5b.I/ODrawer8I/OCards8PCIeGen2slots,BlueGene/Qpackaginghierarchy,Ref:SC2010,12,2015ZDMCLec.#1,目标,数字电路设计的基础理论数字系统分析方法数字系统设计方法数字系统实现和测试方法数字系统设计和解决问题的基本技能电路图硬件描述语言语言描述问题,13,2015ZDMCLec.#1,逻辑代数基础（复习）,14,2015ZDMCLec.#1,逻辑代数概述,基本概念-布尔代数逻辑：事物的因果关系逻辑运算的数学基础：逻辑代数在二值逻辑中的变量取值：0/1用简单(0/1)代数描述复杂性事物,15,2015ZDMCLec.#1,逻辑代数中的三种基本运算,与（AND）或（OR）非（NOT）,1）以A=1表示开关A合上，A=0表示开关A断开；2）以Y=1表示灯亮，Y=0表示灯不亮；三种电路的因果关系不同：,16,2015ZDMCLec.#1,与-AND,条件同时具备，结果发生Y=AANDB=A&B=AB=AB真值表/truthtable图形符号,国标国际,17,2015ZDMCLec.#1,或-OR,条件之一具备，结果发生Y=AORB=A+B真值表图形符号,18,2015ZDMCLec.#1,非-NOT(反相器),条件不具备，结果发生真值表图形符号,19,2015ZDMCLec.#1,几种常用的复合逻辑运算1,与非-NAND或非-NOR与或非AND-NOR,20,2015ZDMCLec.#1,几种常用的复合逻辑运算2,异或-EXCLUSIVEORY=AB,21,2015ZDMCLec.#1,几种常用的复合逻辑运算3,同或-EXCLUSIVENOR/符合Y=AB,22,2015ZDMCLec.#1,基本公式运算规则：交换律、结合律、分配律、重叠律、互补律、反演律、还原律、逆；常用公式符号的优先级：1）括号，2）非，3）与，4）或。,逻辑代数的基本公式和常用公式,23,2015ZDMCLec.#1,基本公式,根