[工学]asic原理及应用ppt课件

1、ASIC原理及运用原理及运用主讲：信息与通讯学院主讲：信息与通讯学院 谢跃雷谢跃雷( (副教授副教授第二章第二章 ASICASIC算法模型设计算法模型设计n数字系统的描画方法数字系统的描画方法n数字系统算法设计数字系统算法设计n算法流程图算法流程图n算法构造算法构造2.1 2.1 数字系统模型数字系统模型 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展描画。数字系统的动态模型和算法模型是两种根本的有统进展描画。数字系统的动态模型和算法模型是两种根本的有效模型。效模型。一、动态模型一、动态模型形状表形状表 0/0 1/0 1/0 0/0

2、 状态图 10 0/0 1/1 00 01 nnnnnnnnnnnnnnnXQQXQXQQQXQXQXQQQQQXQQXQ1101n110101100101100)( 二、算法模型二、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画和设计数字系统。人员现今普遍采用算法模型来描画和设计数字系统。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。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。假设运算太复杂，可把它分解成一系列子运算假设运算太复杂，可把它分解成一系列子运算( (子功能子功能) )，假，

3、假设子运算还较复杂，可以继续分解，直到分解为一系列简单设子运算还较复杂，可以继续分解，直到分解为一系列简单运算。运算。然后按一定的规律，顺序地或并行地进展这些简单的根本运然后按一定的规律，顺序地或并行地进展这些简单的根本运算，从而，实现原来复杂系统的功能。算，从而，实现原来复杂系统的功能。数字系统的算法模型通常具有两大特征：数字系统的算法模型通常具有两大特征： (1)(1)含有假设干子运算：数据存储、读取、算术运算、逻辑运算含有假设干子运算：数据存储、读取、算术运算、逻辑运算等。等。 (2)(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。具有相应的控制序列，控制子运算按一定的规律有

4、序地执行。 算法就是有根本运算及规定的运算顺序所构成的完好的解题算法就是有根本运算及规定的运算顺序所构成的完好的解题步骤，就是处理问题的方法。现实证明，任何一个系统都可步骤，就是处理问题的方法。现实证明，任何一个系统都可以用算法模型来进展描画。以用算法模型来进展描画。 解：解： 实现该系统功能应由三个存贮单元实现该系统功能应由三个存贮单元R1R1、R2R2和和R3R3，分别存放，分别存放输入信号输入信号x(t-1)x(t-1)、x(t)x(t)、x(t+1)x(t+1)的数据，然后再根据以下检的数据，然后再根据以下检测规那么决议输出测规那么决议输出Z Z (1) (1) 当当x(t-1) x(

5、t-1) x(t)x(t)x(t+1)=1x(t+1)=1，输出，输出Z=1Z=1即即Z=R1&R2&R3Z=R1&R2&R3。 (2) (2)其它情况其它情况Z Z0 0。 每经过一次检测，那么将后进入的数据取代先进入的数据，每经过一次检测，那么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展。又送进一个新的数据，此过程周而复始地进展。 以上就是串行数据检测算法，如何描画该算法模型？以上就是串行数据检测算法，如何描画该算法模型？图图 2.1.3 序列检测系统算法流程图序列检测系统算法流程图t=0 Z=0t = t+1Z=1Z=0R1=R

6、2=R3=1? NOYESR1 X(t)R2 R1R3 R2 以图形像地给出了需求进展的操作以及进展这些操作的条件和顺序。与软件设计中的流程图非常一样，称为算法流程图。算法流程图描画算法算法流程图描画算法后，可借助编程言语后，可借助编程言语来设计实现，可用如来设计实现，可用如C C言语、言语、MatlabMatlab言语，言语，建模拟真，以验证算建模拟真，以验证算法。法。module ser_detector(z,x,clk);input x,clk;output z;reg r1,r2,r3;initialbeginr1=0;r2=0;r3=0;endalways (posedge clk)

7、beginr3=r2;r2=r1;r1=15?Paper=1开场开场Coin=0Paperr_max?YESr_max=rrm?NOr=x(i)YESNOmodule max_min_finder(r_max,r_min,x,clk);input 7:0 x;input clk;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;endalways (posedge clk)begini=i+1;if (i=1000)beginrr_max)r_max=r;

8、if(rr_min)r_min=0?YNq=q+2k-1ab?a=a-c/2YNm=a-c/2m=bY终了终了q=0例：设计例：设计 的算法流程图的算法流程图yx分析：问题的中心是求分析：问题的中心是求x的平方根，一种常用的方法是牛的平方根，一种常用的方法是牛顿逐次逼近法。方法的中心是给出一个顿逐次逼近法。方法的中心是给出一个 的估算值的估算值y0，用子运算用子运算y1=(y0+x/y0)/2，求得，求得y1，同理求得，同理求得y2,y3逐逐次递进次递进x设设x=3，令，令y0=1，其计算过程为：，其计算过程为： 序号序号 y W=x/y V=y+W U=V/2 0 1 3 4 2 1 2 1

9、.5 3.5 1.75 2 1.75 1.714 3.464 1.7321 3 1.7321 1.73200 3.4641 1.73205 经过解析，将平方根的运算转化成经过解析，将平方根的运算转化成W=x/y，=y+W，U=V/2三种根本运算，由此可设计出算法的流程图：三种根本运算，由此可设计出算法的流程图：开场开场w=x / yREAD x, y=y0u=(y+w)/2u-y=允许的误差允许的误差终了终了Noy = u开场开场w=x / yREAD x, y=y0u=(y+w)/2u-y=允许的误差允许的误差终了终了Yes算法的流程图算法的流程图 在实践运用中，大部分数字系统的算法比较复杂

10、，在实践运用中，大部分数字系统的算法比较复杂，总是要综合、全面地思索，逐渐分解逻辑关系，最后获总是要综合、全面地思索，逐渐分解逻辑关系，最后获得完好的算法流程图。所以，把跟踪法、归纳法、划分得完好的算法流程图。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运用的方法称为综法、解析法等几种设计算法组合起来运用的方法称为综合法合法注：由于系统的逻辑功能种类繁多注：由于系统的逻辑功能种类繁多,采用的方法和手段也多种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那么、多样，至今尚没有找到可以设计出各种算法的通用的规那么、方法、步骤。方法、步骤。例：试设计一个人体电

11、子秤控制安装的算法流程。该人体电例：试设计一个人体电子秤控制安装的算法流程。该人体电子秤控制安装应能有序、正确地管理以下功能的实现：子秤控制安装应能有序、正确地管理以下功能的实现： (1) (1)进展人体体重的丈量，并能以进展人体体重的丈量，并能以3 3位十进制数字显位十进制数字显 示体重示体重的千克数；的千克数； (2) (2)进展人体身高的丈量，井能以进展人体身高的丈量，井能以3 3位十进制数字显位十进制数字显 示高度示高度的厘米数，体重和身高显示器公用；的厘米数，体重和身高显示器公用； (3) (3)由体重和身高的实测信息，并根据被测对象的详细情况由体重和身高的实测信息，并根据被测对象的

12、详细情况( (男性或女性，成人或儿童等男性或女性，成人或儿童等) )，自动计算并显示被测，自动计算并显示被测 对象属对象属于偏瘦、适中、偏胖于偏瘦、适中、偏胖3 3种类型的哪一种。种类型的哪一种。 (4) (4)为简化设计，允许不思索消除电子秤自重的功能为简化设计，允许不思索消除电子秤自重的功能 ( (常称常称去皮重功能去皮重功能) )。 荷重传感器位移传感器放大器放大器A/D身高体重处置芯片数码管显示打印结果体重身高图图2.3.2电子秤整体框图电子秤整体框图分析：身高体重需求经过传感器转换成电信号，再经放大整分析：身高体重需求经过传感器转换成电信号，再经放大整理、理、ADAD变换后的数据方可

13、进展处置，是一数、模混合电路模变换后的数据方可进展处置，是一数、模混合电路模型。型。VLVL表示身高信号，放大后经表示身高信号，放大后经8 8位位ADAD变换后变换后00H00H0cm0cm，FFHFFH225cm225cmVwVw表示体重信号，放大后经表示体重信号，放大后经8 8位位ADAD变换后变换后00H00H0kg0kg，FFHFFH225kg225kg身高、体重的丈量过程是：身高、体重的丈量过程是： 电子秤未进展丈量时，控制安装处于等待形状；只需当按动电子秤未进展丈量时，控制安装处于等待形状；只需当按动startstart按钮、接纳按钮、接纳startstart1 1信号时，开场一次

14、人体身高和体重信号时，开场一次人体身高和体重的丈量。的丈量。 接纳到接纳到startstart1 1信号，首先丈量身高，表示身高的模拟信息信号，首先丈量身高，表示身高的模拟信息VLVL经八位经八位A AD D转换为数字量，并经存放、码制转换，由转换为数字量，并经存放、码制转换，由8 8段显段显示器显示出示器显示出3 3位十进制数表示的身高数据，此时单位显示位十进制数表示的身高数据，此时单位显示cmcm。n按动按动weightweight按钮，产生按钮，产生weight=1weight=1信号，系统进展体重丈量。表示体重信号，系统进展体重丈量。表示体重的模拟信息的模拟信息VwVw经经A AD D

15、转换为另一组数字量，经存储、码制变换和处置，转换为另一组数字量，经存储、码制变换和处置，显示显示3 3位十进制数表示的体重数据，此时单位显示位十进制数表示的体重数据，此时单位显示kgkg。n对于上述测得的身高、体重两组数字量，进展数据计算和判别。由计对于上述测得的身高、体重两组数字量，进展数据计算和判别。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 3种情况之一。种情况之一。n判别规那么如下：判别规那么如下：L L实测身高、实测身高、W W实测体重，实测体重，K1K1、K2K2为常数，对于为常数，对于男性成人男性成人

16、K1K1105cm105cm，女性成人，女性成人k1=100k1=100，k2k238cm38cm。那么有：。那么有：na. L-k1=W a. L-k1=W 规范体型规范体型b. L-K1-K2=W=L-K1+k2 b. L-K1-K2=W=L-K1+k2 体型适体型适中中nc. W=L-k1-k2 c. WL-K1+k2 d.WL-K1+k2 偏胖偏胖 由以上分析可得其算法流程图如下：由以上分析可得其算法流程图如下：开场开场VLA/D(L-K1)与与w比较比较偏瘦偏瘦waitstart?YESNO终了否终了否?YESNO存储转换显示存储转换显示L延时延时Weight？VwA/DYES终了否

17、终了否?存储转换显示存储转换显示WL-k1k2与与w比较比较L-k1w？L-k1k2与与w比较比较L-k1k2 w？L-k1k2 w？适中适中偏胖偏胖YESYESYESYESNONONONONO2.4 算法构造OP1OP2OP3OP4OP50t1t2t3t4t5OP1OP2OP3OP4OP5OP6OP7OP80t1t2t3t4t5在顺序算法构造中，假设输入要处置的数据是单个元素在顺序算法构造中，假设输入要处置的数据是单个元素Di，完成该数据的算法流程需经完成该数据的算法流程需经L个时间段，而每段的平均时个时间段，而每段的平均时间为间为t，那么完成该数据运算的时间为，那么完成该数据运算的时间为

18、t = L * t假设含有假设含有n个元素的数据流输入时，总的运算时间为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；构造简单；硬件本钱低特点：速度慢；构造简单；硬件本钱低OP1OP2OP3OP4OP5OP6OP7OP8OP9OP10OP110t1t2t3t4OP1OP2OP3OP4OP5OP6OP7OP8OP9OP10OP110t1t2t3t4 在并行算法构造中，假设待处置数据是单元素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 假设含有n个元素的数据流输入时，并行构造算

19、法总的运算时间为 Tp=n t =n L t流水线处置是高速设计中的一个常用设计手段。假设某个设计的处置流程分为假设干步骤，而且整个数据处置是 “ 单流向 的，即没有反响或者迭代运算，前一个步骤的输出是下一个步骤的输入，那么可以思索采用流水线设计方法来提高系统的任务频率。 步骤1步骤2步骤n例如要对例如要对10001000个数据个数据x(n)x(n)进展处置，处置输出结果进展处置，处置输出结果y(n) y(n) ，每，每个数据需求个数据需求4 4个处置步骤个处置步骤X(n)步骤1步骤2步骤3步骤4y(n)假设每个步骤处置时间均需假设每个步骤处置时间均需1 1个时钟周期个时钟周期T T，那么顺序

20、构造需，那么顺序构造需100010004 4T T，可采用如下流水构造：，可采用如下流水构造：X(1)步骤1步骤2步骤3步骤4X(2)步骤1步骤2步骤3步骤4X(3)步骤1步骤2步骤3步骤4X(4)步骤1步骤2步骤3步骤4X(5)步骤1步骤2步骤3步骤41 clock2 clock3 clock4 clock5 clockX(1)X(2)X(3)X(4)X(1)X(2)X(3)X(1)X(2)y(1)y(2)流水线操作算法构造是针对延续输入数据流系统而言的。流水线操作算法构造是针对延续输入数据流系统而言的。它将整个运算分解成假设干子运算，系统在同一时间可对先它将整个运算分解成假设干子运算，系统

21、在同一时间可对先后输入的数据流元素进展不同子运算。具有如下特点：后输入的数据流元素进展不同子运算。具有如下特点： 1 在流水线中操作运算必需是延续义务，只需延续不断地提供义务才干充分发扬流水线的效。 2 把一个运算操作分解为几个有联络的子运算子操作，每个子运算由一个专门的功能部件来实现。 3 3 在流水线的每一个功能部件后面都要有一个缓冲存在流水线的每一个功能部件后面都要有一个缓冲存放器，用于保管本段的执行结果。放器，用于保管本段的执行结果。4 4 流水线中各段子运算的时间应尽量相等，否那流水线中各段子运算的时间应尽量相等，否那么将引起么将引起“堵塞或堵塞或“断流等景象。断流等景象。5 5流水线需求有流水线需求有“装入时间和装入时间和“排空时间。只需流排空时间。只需流水线完全充溢时，整个流水线的效率才干得到充分发扬。水线完全充溢时，整个流水线的效率才干得到充分发扬。流水线操作算法构造如以下图所流水线操作算法构造如以下图所示：示：OP1OP2OP1OP3OP2OP1OP4OP3OP2OP1OP5OP4OP3OP2OP6OP5OP4OP3OP6OP5OP4OP5OP6OP60t1t2t3t4t5t6