数字逻辑系统教案.pdf

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1、名师精编优秀教案课程介绍：先修课程：数字电子技术 - 学习了数字电路的基本设计方法。本课程：数字逻辑系统设计- 面向实际工程应用，紧跟技术发展，掌握数字系统新的设计方法。主要学习可编程逻辑器件原理、VHDL 硬件描述语言基础、 QUARTUSII工具使用。后续课程：1、 数字信号处理 - 应用的一个方面，由FPGA 代替 DSP 来实现算法，提高系统的速度。2、 SOPC 技术 -SOPC Builder 的 NIOS 嵌入式系统软硬件设计技术课程宗旨 : 1、更新数字电路的设计观念，建立用PLD 器件取代传统 TTL 器件设计数字电路的思想2、更新数字系统设计手段， 学会使用硬件描述语言 （

2、Hardware 2、Description Language ）代替传统的数字电路设计方法来设计数字系统。器件为什么能够编程？了解大规模可编程逻辑器件的结构及工作原理（第2 章内容）怎样对器件编程？1、熟悉一种 EDA 软件的使用方法（工具） （以 Altera公司的QUARTUSII为例）2、掌握一种硬件描述语言（方法） ，以设计软件的方式来设计硬件（重点） （以 VHDL 语言为例）教学安排：总学时数： 78 学时名师精编优秀教案理论课时： 54 学时实验课时： 24 学时分数：5 学分考核方式：1、成绩（ 20% ） ：考勤、课堂纪律、回答问题、作业2、成绩（ 20% ） ：实验操作、

3、实验报告3、笔试（ 60% ） ：闭卷考试选用教材：EDA技术与 VHDL （第 2 版） 潘松、黄继业编著，清华大学出版社参考教材：1、 VHDL 程序设计教程（第3 版） ，曾繁泰，清华大学出版社2、 VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 ，侯伯亨、顾新，西安电子科技大学出版社3、 FPGA/VHDL 快速工程实践入门与提高 ，杨恒、卢飞成，北京航空航天大学出版社4、 集成电路 / 计算机硬件描述语言VHDL 高级教程，刘明业，清华大学出版社5、 用 VHDL 设计电子线路，边计年、薛宏熙译，清华大学出版社本书重点：1、章 PLD 硬件特性与编程技术2、第 3 章 VHDL 基础3、第

4、4 章 Quartus II 使用方法4、第 7 章 VHDL 语句5、第 8 章 VHDL 结构本书难点：1、第 2 章 PLD 硬件特性与编程技术2、第 5 章 VHDL 状态机3、第 6 章 16 位 CISC CPU 设计4、第 9、10 章 DSP Builder设计名师精编优秀教案数字电子技术回顾布尔函数 数字系统数学基础（卡诺图）数字电路设计的基本方法：（提问）1、组合电路设计：问题逻辑关系真值表化简逻辑图2、时序电路设计：列出原始状态转移图和表状态优化状态分配触发器选型求解方程式逻辑图3、使用中、小规模器件设计电路（74、54 系列）编码器（ 74LS148 ） 、译码器（ 7

5、4LS154 ） 、比较器（ 74LS85 ）计数器（ 74LS193 ） 、移位寄存器（ 74LS194 ）设计方法的局限（提问）1、卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。2、采用“搭积木”的方法的方法进行设计。必须熟悉各种中小规模芯片的使用方法，从中挑选最合适的器件，缺乏灵活性。3、设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。电路集成度不断提高：SSI MSI LSI VLSI 设计方法的发展：自下而上自上而下名师精编优秀教案第一章概述1.1 电子设计自动化技术及其发展EDA 技术是在电子 CAD 技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息

6、处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。现代电子设计技术的核心已日趋转向基于计算机的电子设计自动化技术，即 EDA(Electronic Design Automation) 技术。EDA 技术发展三个阶段：1、70 年代：集成电路为MOS 工艺，人们利用计算机取代手工劳动进行集成电路版图编辑， PCB布局布线工作。2、80 年代：集成电路为 CMOS 工艺，80 年代末出现了 FPGA ，CAD 技术应用更为广泛， HDL的出现为 EDA解决的电路建模、仿真测试等奠定了基础。3、90 年代：HDL的标准化，集成电路设计工艺达到深亚微米，百万门大规模 PLD面世，大规模 ASIC技

7、术的应用， 促进了 EDA技术的形成。EDA的理解与认识1、EDA技术不是某一学科的分支，或某种新的技能技术，它是一门综合性学科；2、EDA技术融合多学科于一体，又渗透于各学科中，打破了软件和硬件的壁垒；3、EDA技术代表了电子设计技术和应用技术的发展方向；4、EDA是微电子技术和现代电子技术的结合。5、EDA技术的发展趋势：超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高；高性能的EDA工具得到长足的发展（自动化和智能化程度不断提高）；计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的 SoC设计提供了物理基础。名师精编优秀教案1.2 电子设计自动化应用对象一、利用 EDA技术进行电子系统设计，最后的实现的目

8、标1、全定制或半定制ASIC 2、FPGA/CPLD（或称可编程 ASIC）开发应用3、PCB （印制电路板）二、作为 EDA技术最终实现目标的ASIC，可以通过三种途径来完成1、超大规模可编程逻辑器件2、半定制或全定制ASIC 3、混合 ASIC 1.3 VHDL 英文全名是 VHSIC(Very High Speed Integrated Circuit)Hardware Description Language。现在公布的最新VHDL 标准版本是 IEEE 1076-2002 1.4 EDA 的优势1可以大大降低设计成本，缩短设计周期。2库都是 EDA公司与半导体生产厂商合作、共同开发。

9、3极大地简化设计文档的管理。4极大地提高了大规模系统电子设计的自动化程度。5设计者拥有完全的自主权，再无受制于人之虞6良好的可移植与可测试性，为系统开发提供可靠的保证。7能将所有设计环节纳入统一的自顶向下的设计方案中。8在系统板设计结束后仍可利用计算机对硬件系统进行完整的测试。1.5 面向 FPGA的开发流程一、设计输入1、图形输入2、硬件描述语言文本输入二、综合名师精编优秀教案三、布线布局（适配）四、仿真五、下载和硬件测试1.6 Quartus II概述1.7 IP 核1、软 IP- 用 VHDL 等硬件描述语言描述的功能块，但是并不涉及用什么具体电路元件实现这些功能。2、固 IP- 完成了

10、综合的功能块。3、硬 IP- 供设计的最终阶段产品 - 掩膜。4、IP Core ：经过预选设计、预先验证，符合产业界普遍认同的设计规范核设计标准，具有相对独立功能电路模块或子系统，可以复用于 SOC 、SOPC 或 ASIC中；5、软 IP Core （如 Nios、MicroBlaze ）和硬 IP Core （如 ARM 、MIPS ）齐头并进；6、IP 资源复用 (IP Reuse) 是指在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买所需的部分或全部智力产权内核(IP Core)，进行设计、综合和验证，从而加速流片设计过程的设计方法；7、IP Core 是一种商品， SOPC 的技术核心：

11、是可编程逻辑器件设计工程师价值体现的主要途径。图形或HDL 编辑编程器设计 输入综合编译适 配 器下载仿真Analys& Synthe（ 分析与综）Filte（适配）Assembl（编 程 文 件汇编）Timing （时序分析）名师精编优秀教案8、IP Core 表现形式： HDL语言、原理图、网表9、 IP Core 分类： 微处理器 IP Core （ 8/16/32/64位， 如 MicroBlaze 、Nois、8051 ） 、处理器外设 IP Core（ SDRAM 控制器、 LCD 控制器、总线控制器等）、 DSP算法 IP Core（ FIR 滤波器、 DES加密、音视频编码和解码等）、通信控制器 IP Core（ MAC 、Gbit 收发器、 CAM 、协议转换等）1.8 EDA 技术的发展趋势1、超大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高，在一个芯片上完成的系统级的集成已成为可能。2、可编程逻辑器件开始进入传统的ASIC市场。3、市场对系统的集成度不断提出更高的要求，促使EDA工具和 IP核应用更为广泛。4、高性能的 EDA工具得到长足的发展， 为嵌入式系统设计提供了功能强大的开发环境。5、计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的 SoC设计提供了物理基础。