第1章电子系统设计概论PPT讲稿.ppt

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1、第第1章电子系统设计章电子系统设计概论概论第1页，共46页，编辑于2022年，星期一课 程 宗 旨n建立现代数字电子系统设计的概念；建立现代数字电子系统设计的概念；n更新传统数字电路的设计观念，建立用更新传统数字电路的设计观念，建立用PLDPLD器件取代传统器件取代传统TTLTTL器件设计数字电路器件设计数字电路与系统的思想与系统的思想n更新数字系统设计手段，学会使用硬件更新数字系统设计手段，学会使用硬件描述语言（描述语言（Hardware Description Hardware Description LanguageLanguage）代替传统的数字电路设计）代替传统的数字电路设计方法（方

2、法（画电路图画电路图）来设计数字系统。）来设计数字系统。第2页，共46页，编辑于2022年，星期一1.1 什么是数字系统？n数字电子系统：数字电子系统：简称为数字系统。是可以完简称为数字系统。是可以完成某种（或多种）特定的、功能不单一的一成某种（或多种）特定的、功能不单一的一种电子系统。种电子系统。n数字器件：数字器件：即数字即数字ICIC芯片。是构成数字系统芯片。是构成数字系统的基本部件，是数字系统的的基本部件，是数字系统的“元素元素”或或“细细胞胞”。n一个数字电子设备（产品），小到一个数字一个数字电子设备（产品），小到一个数字电子钟，大到一台数控车床或超级计算机，电子钟，大到一台数控车床

3、或超级计算机，都是一个都是一个“数字电子系统数字电子系统”。第3页，共46页，编辑于2022年，星期一数字系统与数字器件的主要区别n数字系统一般应包含某种控制器及受数字系统一般应包含某种控制器及受控单元，并且功能不那么单一。控单元，并且功能不那么单一。n例如：例如：一个大规模集成的数字存储一个大规模集成的数字存储器，它一般只被认为是一个数字器器，它一般只被认为是一个数字器件而非一个数字系统。件而非一个数字系统。n而一个数字电子钟，虽然该数字而一个数字电子钟，虽然该数字钟的芯片集成度并不一定很高，钟的芯片集成度并不一定很高，但它却可被认为是一个数字系统。但它却可被认为是一个数字系统。因为数字钟内

4、不仅包含有受控单因为数字钟内不仅包含有受控单元（如计数器），也有某种控制元（如计数器），也有某种控制器（如分频控制电路、校时、预器（如分频控制电路、校时、预置电路等）。并不仅仅只看系统置电路等）。并不仅仅只看系统是否相当复杂及芯片集成度的高是否相当复杂及芯片集成度的高低。低。n 计算机中使用的内存条计算机中使用的内存条n一个声音处理系统第4页，共46页，编辑于2022年，星期一应用中的数字系统芯片第5页，共46页，编辑于2022年，星期一数字器件数字器件n数字器件是构成数字系统的数字器件是构成数字系统的“元素元素”或或“细胞细胞”；n标准标准TTLTTL或或CMOSCMOS数字集成电路（如各种

5、门电路、计数器、寄数字集成电路（如各种门电路、计数器、寄存器、译码器等），是数字器件。存器、译码器等），是数字器件。最简单的逻辑器件是与、或、非最简单的逻辑器件是与、或、非门（门（74LS0074LS00，74LS0474LS04等），在此基础上可实现复杂的时序和组合等），在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。逻辑功能。n近来人们已经能够在单一半导体芯片上设计、制造百万个近来人们已经能够在单一半导体芯片上设计、制造百万个以上的晶体管，这种高集成度的以上的晶体管，这种高集成度的ICIC芯片已经开始具备以往芯片已经开始具备以往一个数字系统的全部特性与功能，这就产生了现代所谓一个数字系统的全部特

6、性与功能，这就产生了现代所谓的的“单片系统单片系统”（SOCSOC，即，即System On a ChipSystem On a Chip）和）和SOPC SOPC。此时数字器件已发展成为数字系统。此时数字器件已发展成为数字系统n由于单片系统集成度高、功耗低、功能强大，工作可靠，由于单片系统集成度高、功耗低、功能强大，工作可靠，正受到人们越来越大的重视正受到人们越来越大的重视,今后必将会有光明的发展前景。今后必将会有光明的发展前景。第6页，共46页，编辑于2022年，星期一数字器件第7页，共46页，编辑于2022年，星期一焊在电路板上的数字器件第8页，共46页，编辑于2022年，星期一给单片机

7、作接口控制的数字芯片第9页，共46页，编辑于2022年，星期一SOPCSOPC系统系统第10页，共46页，编辑于2022年，星期一Sopc系统第11页，共46页，编辑于2022年，星期一可编程逻辑器件可编程逻辑器件n可编程逻辑器件（可编程逻辑器件（PLDPLDProgrammable Programmable Logic DeviceLogic Device）是一种通用的电子器件，其功）是一种通用的电子器件，其功能不是固定不变的，而是可根据用户的需要而能不是固定不变的，而是可根据用户的需要而进行改变，即：可通过编程设计的方法来定义进行改变，即：可通过编程设计的方法来定义器件的逻辑功能。这颇类似

8、于单片机的特性。器件的逻辑功能。这颇类似于单片机的特性。n但是但是PLDPLD与与MCUMCU有基本的不同：有基本的不同：nMCUMCU是通过软件（指令）来实现预期的功能；是通过软件（指令）来实现预期的功能；n而而PLDPLD是通过内部硬件布线、以硬件来实现预是通过内部硬件布线、以硬件来实现预期的功能。期的功能。n所以所以PLDPLD完成逻辑功能的工作速度比完成逻辑功能的工作速度比MCUMCU要快得要快得多。多。第12页，共46页，编辑于2022年，星期一1.2 构建数字系统的途径构建数字系统的途径n1.1.标准化的中、小规模数字集成电路。标准化的中、小规模数字集成电路。n特点：特点：n简单易

9、用、价格低廉，应用广泛，集成度较低，功能受简单易用、价格低廉，应用广泛，集成度较低，功能受限。一般需要用较多的芯片才能构建一个数字系统限。一般需要用较多的芯片才能构建一个数字系统,并需并需要进行大量的芯片间连线，致使系统构成复杂、功耗高、要进行大量的芯片间连线，致使系统构成复杂、功耗高、可靠性偏低。可靠性偏低。n标准化的中、小规模数字集成电路是设计数字系统的基本标准化的中、小规模数字集成电路是设计数字系统的基本方法之一。方法之一。第13页，共46页，编辑于2022年，星期一构建数字系统的途径使用CPU、MCU及DSPn2.2.基于基于LSI(LSI(大规模集成大规模集成Large Scale

10、IntegrationLarge Scale Integration)或或VLSI(VLSI(超大规模集成技术（超大规模集成技术（Very Large Very Large Scale IntegrationScale Integration）的微处理器。）的微处理器。n如各种通用或嵌入式如各种通用或嵌入式CPUCPU、MCUMCU（微控制器）及（微控制器）及数字信号处理器数字信号处理器DSPDSP。第14页，共46页，编辑于2022年，星期一使用CPU、MCU及DSP的系统第15页，共46页，编辑于2022年，星期一使用CPU、MCU及DSP构建数字系统n特点：特点：nCPUCPU、MCUM

11、CU、DSPDSP依靠执行指令（软件）可以方依靠执行指令（软件）可以方便的实现几乎任意的数字逻辑功能，其应用灵便的实现几乎任意的数字逻辑功能，其应用灵活性极强。活性极强。n但这些微处理器一般需要一定的数字接口器件但这些微处理器一般需要一定的数字接口器件相配合才能有效工作；依靠执行软件来完成数相配合才能有效工作；依靠执行软件来完成数字逻辑功能的工作方法导致其工作速度相对较字逻辑功能的工作方法导致其工作速度相对较慢，故在一些需要高速、实时工作的应用场合慢，故在一些需要高速、实时工作的应用场合它们的应用就受到一定的限制。它们的应用就受到一定的限制。第16页，共46页，编辑于2022年，星期一3.基于

12、LSI或VLSI的专用集成电路ASICnASIC(ASIC(即即Application Specific IC)Application Specific IC)是一种为完成某种特定的是一种为完成某种特定的电路功能而专门设计、生产的电路功能而专门设计、生产的ICIC器件。器件。n特点：特点：n需要专门设计需要专门设计/定制，大规模集成。性能强、功耗低、工作可靠性定制，大规模集成。性能强、功耗低、工作可靠性高、保密性高、大批量应用时成本也较低；高、保密性高、大批量应用时成本也较低；n但其功能专一且不能改变，不适宜在电子产品的研发阶段予以使用。但其功能专一且不能改变，不适宜在电子产品的研发阶段予以使

13、用。nASICASIC分类：分类：n按功能的不同可分为：数字按功能的不同可分为：数字ASICASIC、模拟、模拟ASICASIC及混合型及混合型ASICASIC。n综合言之，使用综合言之，使用ASICASIC进行数字系统设计需要较高的开发费用、进行数字系统设计需要较高的开发费用、设计与制造周期也较长。所以设计与制造周期也较长。所以ASICASIC只适合在大批量工业应用只适合在大批量工业应用的场合中使用。的场合中使用。第17页，共46页，编辑于2022年，星期一4.基于LSI/VLSI的可编程逻辑器件PLD(Programmab1e Logic Dvice)。nPLDPLD是一种从二十世纪是一种

14、从二十世纪7070年代开始发展起来的一种完全由用户自行年代开始发展起来的一种完全由用户自行定义芯片逻辑功能的定义芯片逻辑功能的“通用型通用型”数字器件。数字器件。n它可以看作是半定制它可以看作是半定制ASICASIC的一个重要分支的一个重要分支,也是目前数字电子技术中也是目前数字电子技术中发展最为迅速的一个领域。发展最为迅速的一个领域。n芯片厂商将其作为一种通用数字器件进行设计、生产；芯片厂商将其作为一种通用数字器件进行设计、生产；n而用户则可以在相应的而用户则可以在相应的EDAEDA开发系统的支持下自行对开发系统的支持下自行对PLDPLD进行功能定义进行功能定义与设计。与设计。n经过用户定义

15、与设计的经过用户定义与设计的PLDPLD器件就立即变成了具有用户所要求的特定功能器件就立即变成了具有用户所要求的特定功能的专用集成电路的专用集成电路ASICASIC。如果设计有误，用户只需修改错误，重新对芯。如果设计有误，用户只需修改错误，重新对芯片进行定义配置即可。片进行定义配置即可。n在这个意义上说，通用型的数字器件在这个意义上说，通用型的数字器件PLDPLD可以归之为一种半定制的可以归之为一种半定制的ASICASIC。显然这种具有即改即用特性的。显然这种具有即改即用特性的PLDPLD器件的出现，使现代数字系器件的出现，使现代数字系统的设计与开发进入到了一种崭新的阶段。统的设计与开发进入到

16、了一种崭新的阶段。第18页，共46页，编辑于2022年，星期一PLD的特点：n由用户自定义器件的功能、大规模集成。设计由用户自定义器件的功能、大规模集成。设计周期短、设计风险低、应用灵活、系统功能强周期短、设计风险低、应用灵活、系统功能强大、功耗低。大、功耗低。n用用PLDPLD来进行数字系统的开发与设计已成为现来进行数字系统的开发与设计已成为现代电子设计的一种方向与潮流。代电子设计的一种方向与潮流。第19页，共46页，编辑于2022年，星期一百万门级的百万门级的PLD芯片芯片第20页，共46页，编辑于2022年，星期一1.3 可编程逻辑器件与EDA技术n其实，最早的可编程逻辑器件就是其实，最

17、早的可编程逻辑器件就是 可写入存贮器可写入存贮器(PROM)(PROM)，包括，包括（三种）三种）n可编程只读存贮器可编程只读存贮器(PROM)(PROM)、n紫外线可擦除的只读存贮器紫外线可擦除的只读存贮器(EPROM)(EPROM)n电可擦除只读存贮器电可擦除只读存贮器(EEPROM)(EEPROM)。n由于结构的限制，这类芯片虽然能够完成一些由于结构的限制，这类芯片虽然能够完成一些简单的组合逻辑电路功能，但它们一般也只作简单的组合逻辑电路功能，但它们一般也只作为存贮器来使用。为存贮器来使用。第21页，共46页，编辑于2022年，星期一通用可编程逻辑器件n到了到了2020世纪世纪7070年

18、代人们研制出了可编程逻辑器件，包括：年代人们研制出了可编程逻辑器件，包括：nPLA(Programmab1e Logic ArrayPLA(Programmab1e Logic Array即可编程逻辑阵列即可编程逻辑阵列)nPAL(Programmab1e Array LogicPAL(Programmab1e Array Logic即可编程阵列逻辑即可编程阵列逻辑)nGAL(General Array LogicGAL(General Array Logic即通用阵列逻辑即通用阵列逻辑)。nPAL/PLA/GALPAL/PLA/GAL器件的集成度一般都不超过器件的集成度一般都不超过10001

19、000门，故被称为门，故被称为简单简单可编程逻辑器件可编程逻辑器件SPLD(Simple Programmab1e Logic Device)SPLD(Simple Programmab1e Logic Device)。nPLAPLA因电路复杂、编程设计较困难，发展缓慢，很少应用。因电路复杂、编程设计较困难，发展缓慢，很少应用。nGALGAL是在是在PALPAL的基础上改进设计后问世，至今仍得到广泛应用。的基础上改进设计后问世，至今仍得到广泛应用。n这些早期的这些早期的SPLDSPLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性良好的器件的一个共同特点是可以实现速度特性良好的数字逻辑功能，是取代数字逻

20、辑功能，是取代7474系列逻辑器件的通用数字芯片。但其相系列逻辑器件的通用数字芯片。但其相对简单的电路结构也使它们只适合完成不是太复杂的数字逻辑功对简单的电路结构也使它们只适合完成不是太复杂的数字逻辑功能。能。第22页，共46页，编辑于2022年，星期一传统的数字电路设计传统的数字电路设计n使用中、小规模器件设计电路（使用中、小规模器件设计电路（7474、5454系列与系列与CD4000CD4000、CD4500CD4500系列）进行逻辑电路设计。系列）进行逻辑电路设计。n各种门电路（各种门电路（74LS02/04/0674LS02/04/06）n触发器（触发器（74LS7474LS74）n编

21、码器（编码器（74LS14874LS148）n译码器（译码器（74LS15474LS154）n比较器（比较器（74LS8574LS85）n计数器（计数器（74LS19374LS193）n移位寄存器（移位寄存器（74LS19474LS194）n第23页，共46页，编辑于2022年，星期一传统的数字电路设计方法传统的数字电路设计方法n逻辑（布尔）代数是数字电路理论基础逻辑（布尔）代数是数字电路理论基础n数字电路设计的基本方法数字电路设计的基本方法n组合电路设计问题组合电路设计问题逻辑关系逻辑关系真值表真值表化简化简(卡卡诺图诺图)逻辑逻辑图图n时序电路设计时序电路设计 列出原始状态转移图和表列出原

22、始状态转移图和表状态优化状态优化状态分配状态分配触发器选型触发器选型求解方程式求解方程式逻辑图逻辑图第24页，共46页，编辑于2022年，星期一设计方法的局限设计方法的局限n卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。卡诺图只适用于输入比较少的函数的化简。n采用采用“搭积木搭积木”的方法的方法进行设计。必须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。最合适的器件，缺乏灵活性。n设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。设计系统所需要的芯片种类多，且数量很大。第25页，共46页，编辑于2022年，星期一采用中小规模器

23、件的局限采用中小规模器件的局限n电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，电路板面积很大，芯片数量很多，功耗很大，可靠性低应提高芯片的集成度可靠性低应提高芯片的集成度n设计比较困难将手工设计方法提升为计算设计比较困难将手工设计方法提升为计算机辅助设计方法（使用机辅助设计方法（使用EDAEDA设计工具）。设计工具）。n电路存储、修改都麻烦使用电路存储、修改都麻烦使用EDAEDA设计工具设计工具nPLDPLD器件与设计技术的出现改变了这一切器件与设计技术的出现改变了这一切第26页，共46页，编辑于2022年，星期一PLD出现的背景出现的背景n电路集成度不断提高电路集成度不断提高nSSISSIMSIM

24、SILSILSIVLSIVLSIn计算机技术的发展使计算机技术的发展使EDAEDA技术得到广泛应用技术得到广泛应用n设计方法的发展设计方法的发展n自下而上自下而上自上而下自上而下n用户需要设计自己需要的专用电路与器件用户需要设计自己需要的专用电路与器件n专用集成电路（专用集成电路（ASICASICApplication Specific Application Specific Integrated CircuitsIntegrated Circuits）开发周期长，投入大，风险）开发周期长，投入大，风险大大n可编程器件可编程器件(PLD)(PLD)：开发周期短，投入小，风险小：开发周期短，投

25、入小，风险小第27页，共46页，编辑于2022年，星期一PLD器件的优点器件的优点nPLDPLD集成度高，可以替代多至几千块通用集成度高，可以替代多至几千块通用ICIC芯片芯片n极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性极大减小电路的面积，降低功耗，提高可靠性nCADCAD技术的发展提供了完善先进的技术的发展提供了完善先进的EDAEDA开发工具开发工具n提供语言、图形、波形等设计方法，灵活、方便提供语言、图形、波形等设计方法，灵活、方便n通过仿真工具来验证设计的正确性，提高设计的成通过仿真工具来验证设计的正确性，提高设计的成功率。功率。n可以反复地擦除、编程配置，方便进行设计修可以反复地擦除、编

26、程配置，方便进行设计修改和升级。改和升级。n灵活地定义管脚功能，简化应用灵活地定义管脚功能，简化应用n减轻设计工作量，缩短系统开发时间减轻设计工作量，缩短系统开发时间n保密性好保密性好第28页，共46页，编辑于2022年，星期一一个一个PLD芯片：芯片：GAL16V8第29页，共46页，编辑于2022年，星期一复杂可编程逻辑器件n2020世纪世纪8080年代中期美国年代中期美国 AlteraAltera公司和公司和XilinxXilinx公司分别推出了类似于公司分别推出了类似于PALPAL结构的扩展型复杂可编程逻辑器件结构的扩展型复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmab

27、1e CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)Logic Dvice)和与标准门阵列结构类似的现场可编程门阵列和与标准门阵列结构类似的现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)FPGA(Field Programmable Gate Array)。nCPLD/FPGACPLD/FPGA的集成度可做得很大（可达几万到几百万门的集成度可做得很大（可达几万到几百万门/片），用它可片），用它可以替代几十至几千块普通的标准数字集成芯片。用这样的以替代几十至几千块普通的标准数字集成芯片。用这样的CPLD/FPGACPLD/FP

28、GA实际实际上就能实现一个数字系统或子系统。这种高功能、高集成度的器件目上就能实现一个数字系统或子系统。这种高功能、高集成度的器件目前在世界范围都受到电子设计人员的广泛关注和普遍欢迎。前在世界范围都受到电子设计人员的广泛关注和普遍欢迎。n与专用与专用ASICASIC芯片相比，芯片相比，CPLD/FPGACPLD/FPGA具有设计开发周期短、设计制造成具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此已广泛应用于数字系统与数字产品的设计与生线检验等优点，因此已广泛应用于数字系统与数字

29、产品的设计与生产中。几乎所有应用门阵列、产中。几乎所有应用门阵列、ASICASIC、SPLDSPLD和中小规模通用数字集成和中小规模通用数字集成电路的场合都可应用电路的场合都可应用CPLDCPLD或或FPGAFPGA器件。器件。n由于由于AlteraAltera公司的公司的CPLDCPLD器件系列和器件系列和XilinxXilinx公司的公司的FPGAFPGA器件系列开发较器件系列开发较早，种类较多，功能最强，因此其知名度也最高，它们占用了较大的早，种类较多，功能最强，因此其知名度也最高，它们占用了较大的PLDPLD市场分额。市场分额。第30页，共46页，编辑于2022年，星期一一个一个PLD

30、芯片：芯片：EP1K100n集成度10万门；内含约100个晶体管n管脚数目：208个n电源：n3.3V（I/O）n2.5V（内核）n速度n250MHzn内部资源n4992个逻辑单元n10万个逻辑门n49152 bit的RAM第31页，共46页，编辑于2022年，星期一PLD的发展趋势的发展趋势n向高集成度、高速度方向进一步发展向高集成度、高速度方向进一步发展n最高集成度已达到最高集成度已达到600600万门万门n向向SOPCSOPC方向发展方向发展n可设计片内可设计片内CPUCPU、DSPDSP及接口控制电路，构成各种嵌及接口控制电路，构成各种嵌入式系统。入式系统。n向低电压和低功耗方向发展，

31、向低电压和低功耗方向发展，5V5V3.3V3.3V2.5V2.5V1.8V1.8V 1.5V 1.5V或更低或更低n内嵌多种功能模块内嵌多种功能模块nRAMRAM，ROMROM，FIFOFIFO，DSPDSP，CPUCPUn向数、模混合可编程方向发展向数、模混合可编程方向发展 （内含（内含ADCADC、DACDAC、PWMPWM、PLLPLL等）等）第32页，共46页，编辑于2022年，星期一SOPC设计设计第33页，共46页，编辑于2022年，星期一世界上主要的世界上主要的PLDPLD生产厂家生产厂家n最大的PLD供应商之一nFPGA的发明者，最大的PLD供应商之一nISP技术的发明者n提供

32、军品及宇航级产品第34页，共46页，编辑于2022年，星期一AlteraAltera公司公司世界最大的可编程逻辑器件供应商之一。主要世界最大的可编程逻辑器件供应商之一。主要PLDPLD产产品有：品有：MAX3000/7000/9000MAX3000/7000/9000、FELX 6K/8K/10KFELX 6K/8K/10K、ACEX1KACEX1K、APEX20KAPEX20K、CycloneCyclone、StraticsStratics等系列。等系列。其中其中CycloneCyclone、StraticsStratics系列器件是系列器件是SOPCSOPC器件。器件。开发工具开发工具Ma

33、xplusII/QuartusIIMaxplusII/QuartusII是一种相当成功的是一种相当成功的CPLDCPLD开发平台。在我国高校中使用面很大。对开发平台。在我国高校中使用面很大。对AHDLAHDL设计设计有很好的支持。有很好的支持。但但MaxplusII/QuartusII MaxplusII/QuartusII 系统的系统的VHDL /Verilog HdlVHDL /Verilog Hdl综合能力不够强综合能力不够强,须借助其他须借助其他EDAEDA公司的公司的HDLHDL综合工具综合工具才能很好的对才能很好的对VHDL /Verilog HdlVHDL /Verilog Hd

34、l设计进行深层次的设设计进行深层次的设计与应用开发。计与应用开发。第35页，共46页，编辑于2022年，星期一XilinxXilinx公司公司世界最大的可编程逻辑器件供应商之一。世界最大的可编程逻辑器件供应商之一。产品产品种类较全，主要有：种类较全，主要有：XC9500/4000XC9500/4000，Spartan,Spartan,VertexVertex，Coolrunner(XPLA3)Coolrunner(XPLA3)等。等。n其开发软件为其开发软件为FounditionFoundition和和ISEISE等，它们具有等，它们具有强大的系统设计、综合与仿真功能。强大的系统设计、综合与仿

35、真功能。nAlteraAltera和和XilinxXilinx的的CPLD/FPGACPLD/FPGA决定了决定了PLDPLD技术的技术的发展方向，这两家公司的产品占了世界发展方向，这两家公司的产品占了世界PLDPLD市市场份额约场份额约6060。第36页，共46页，编辑于2022年，星期一EDAEDA技术技术nPLDPLD器件尤其是大规模集成的器件尤其是大规模集成的CPLD/FPGACPLD/FPGA器件的设计与应用必须要得到器件的设计与应用必须要得到电子设计自动化（电子设计自动化（Electronic Design Automation,Electronic Design Automati

36、on,即即EDAEDA）工具软件）工具软件的支持。这是的支持。这是PLDPLD器件与普通数字逻辑器件（如器件与普通数字逻辑器件（如74/5474/54系列系列TTLTTL器件和器件和CD4000CD4000系列系列CMOSCMOS器件）在应用方法上最显著的差异。器件）在应用方法上最显著的差异。n随着数字集成电路集成度的提高，从：随着数字集成电路集成度的提高，从：n (Small Scale Integrasted,(Small Scale Integrasted,小规模集成小规模集成 ，100100半导体元件半导体元件)、n（Midle Scale Integrasted,Midle Scal

37、e Integrasted,中规模集成，中规模集成，1,0001,000半导体元半导体元件）件）n (Large Scale Integrasted,(Large Scale Integrasted,大规模集成大规模集成 ，10,00010,000元件元件)n (Very Large Scale Integrasted(Very Large Scale Integrasted，超大规模集成，超大规模集成，10,00010,000半导体元件半导体元件)；n数字系统的设计方法，也随着同时代微电子技术和计算机技术的数字系统的设计方法，也随着同时代微电子技术和计算机技术的不断发展而从手工电路设计走向了

38、电子设计自动化不断发展而从手工电路设计走向了电子设计自动化(EDA)(EDA)设计的阶设计的阶段。段。第37页，共46页，编辑于2022年，星期一EDA设计设计nEDAEDA是以电子计算机为设计工具和设计平台、以电子线路硬是以电子计算机为设计工具和设计平台、以电子线路硬件描述语言件描述语言HDL(Hardware Description Language)HDL(Hardware Description Language)为主为主要系统描述手段，综合现代要系统描述手段，综合现代CADCAD（计算机辅助设计）、（计算机辅助设计）、CATCAT（计算机辅助测试）、（计算机辅助测试）、CAECAE（

39、计算机辅助工程）技术、自（计算机辅助工程）技术、自动、高速的完成系统电路逻辑编译、逻辑化简、逻辑综动、高速的完成系统电路逻辑编译、逻辑化简、逻辑综合、逻辑仿真、逻辑优化直至逻辑芯片版图实现，是一合、逻辑仿真、逻辑优化直至逻辑芯片版图实现，是一种自动化电子系统与种自动化电子系统与ICIC设计的技术和设计工具。设计的技术和设计工具。n大规模或超大规模集成器件的开发与应用、电子系统功大规模或超大规模集成器件的开发与应用、电子系统功能的提高，使得相应的设计和验证变得十分复杂。手工能的提高，使得相应的设计和验证变得十分复杂。手工化的电子设计已经难以开展甚至不可能进行化的电子设计已经难以开展甚至不可能进行

40、,只有依靠计只有依靠计算机辅助设计，才能进行算机辅助设计，才能进行LSILSI和和VLSIVLSI的设计与开发。的设计与开发。第38页，共46页，编辑于2022年，星期一EDA应用的三方面nEDAEDA主要能辅助进行主要能辅助进行4 4方面的系统设计与开发工作：方面的系统设计与开发工作：n1 1、电子线路设计、电子线路设计;(;(如如PROTELPROTEL中的中的SCHSCH设计设计)n2 2、PCBPCB设计设计;(;(如如PROTELPROTEL中的中的PCBPCB设计设计)n3 3、ICIC设计设计;(;(如如CANDENCECANDENCE公司的公司的SPWSPW系统系统)n4 4、

41、PLDPLD设计设计(如如MaxplusII/QuartusIIMaxplusII/QuartusII中的中的GDFGDF和和HDLHDL设计设计)n没有没有EDAEDA技术的支持，想要完成复杂的电子系统和大规模集成电技术的支持，想要完成复杂的电子系统和大规模集成电路的设计与制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进路的设计与制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又对步又对EDAEDA技术提出新的要求。技术提出新的要求。n没有没有EDAEDA技术的进步，就无法有效的设计与应用现代复杂电子系技术的进步，就无法有效的设计与应用现代复杂电子系统和大规模集成电路芯片，也不会有现代电子技术

42、的今天统和大规模集成电路芯片，也不会有现代电子技术的今天nEDAEDA技术的迅猛发展，使得整个电子系统设计与微电子器件设计技术的迅猛发展，使得整个电子系统设计与微电子器件设计的面貌发生了深刻改变。的面貌发生了深刻改变。n因此，学习和掌握电子系统的因此，学习和掌握电子系统的EDAEDA设计方法和设计方法和EDAEDA开发工具，是我们开发工具，是我们掌握现代数字系统设计技术的必需之路。掌握现代数字系统设计技术的必需之路。第39页，共46页，编辑于2022年，星期一世界最知名的专业世界最知名的专业EDA公司公司n1 1、CANDENCECANDENCE公司公司n2 2、SYNOPSYSSYNOPSY

43、S公司公司n3 3、MENTORMENTOR公司公司n这些专业这些专业EDAEDA公司的产品，就是公司的产品，就是ICIC设计软件系设计软件系统和统和CPLD/FPGACPLD/FPGA开发系统。开发系统。n各国的各国的ICIC研究与设计企业，几乎都是使用这些研究与设计企业，几乎都是使用这些公司的公司的EDA EDA 设计平台（软件系统）来设计他们设计平台（软件系统）来设计他们的的ICIC产品。包括中科院计算所，也是用产品。包括中科院计算所，也是用CANDENCECANDENCE和和SYNOPSYSSYNOPSYS公司的设计平台来设计中公司的设计平台来设计中国的国的“龙芯龙芯”CPUCPU。第

44、40页，共46页，编辑于2022年，星期一PLD的设计步骤的设计步骤第41页，共46页，编辑于2022年，星期一设计输入设计输入n原理图输入原理图输入n使用元件符号和连线等描述使用元件符号和连线等描述n比较直观，但设计大规模的数字系统时则显得繁琐比较直观，但设计大规模的数字系统时则显得繁琐nHDLHDL语言输入语言输入n逻辑描述功能强逻辑描述功能强n成为国际标准，便于移植成为国际标准，便于移植n波形输入波形输入n根据系统信号的波形，得出产生这些波形的电路。根据系统信号的波形，得出产生这些波形的电路。n原理图与原理图与HDLHDL的联系与高级语言与汇编语言的的联系与高级语言与汇编语言的关系类似。

45、关系类似。第42页，共46页，编辑于2022年，星期一设计处理设计处理n综合和优化综合和优化n优化：将逻辑化简，去除冗余项，减少设计所耗用的资源优化：将逻辑化简，去除冗余项，减少设计所耗用的资源n综合：将模块化层次化设计的多个文件合并为一个网表，使设综合：将模块化层次化设计的多个文件合并为一个网表，使设计层次平面化计层次平面化n映射映射n把设计分为多个适合特定器件内部逻辑资源实现的逻辑小块的形式把设计分为多个适合特定器件内部逻辑资源实现的逻辑小块的形式n布局与布线布局与布线n将已分割的逻辑小块放到器件内部逻辑资源的具体位置并利用将已分割的逻辑小块放到器件内部逻辑资源的具体位置并利用布线资源完成

46、各功能块之间的连接布线资源完成各功能块之间的连接n生成编程文件生成编程文件n生成可供器件编程使用的数据文件生成可供器件编程使用的数据文件第43页，共46页，编辑于2022年，星期一模拟仿真模拟仿真n功能仿真功能仿真n不考虑信号传输和器件的延时，得到信号的逻辑关不考虑信号传输和器件的延时，得到信号的逻辑关系波形。系波形。n时序仿真时序仿真n不同器件的内部延时不一样，不同的布局、布线延不同器件的内部延时不一样，不同的布局、布线延时也会有比较大的不同时也会有比较大的不同n考虑信号传输和器件的延时后，得到信号的真实时考虑信号传输和器件的延时后，得到信号的真实时序逻辑关系（波形）。序逻辑关系（波形）。n

47、在线验证在线验证n利用实现手段测试器件最终功能和性能指标利用实现手段测试器件最终功能和性能指标n使所设计的器件真正在板运行，测试运行结果是否使所设计的器件真正在板运行，测试运行结果是否正确。正确。第44页，共46页，编辑于2022年，星期一在系统编程技术ISPIn System Program n对对PLDPLD的逻辑功能随时进行修改。甚至在板予的逻辑功能随时进行修改。甚至在板予以修改与重置。以修改与重置。n优点：优点：n方便硬件的调试方便硬件的调试n方便硬件版本的升级，类似于软件升级方便硬件版本的升级，类似于软件升级第45页，共46页，编辑于2022年，星期一在系统编程技术ISPIn System Program 第46页，共46页，编辑于2022年，星期一