《数字系统设计》PPT课件

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数字系统设计课件(自制)第4章

并口18-25是地线，其他线分成三类，8根数据线，可进行数据输出，5根状态线，输入，四根控制线，输出。设置成JTAG口。
主系统通用 10针标准配置/下载接口
PIN1
目标板10针标准配置接口
OTP配置器件插座配置器件插座配置器件
将编程完毕的配置器件插在相应的电路系统上
4.2.4 PAL结构原理结构原理
4.2 简单简单PLD结构原理结构原理
2.2.4 PAL结构原理结构原理
4.2.5 GAL结构原理结构原理
4.2 简单简单PLD结构原理结构原理
4.2.5 GAL结构原理结构原理
（1）寄存器模式）
4.2 简单简单PLD结构原理结构原理
（2）复合模式） 1、组合输出双向口结构、
2.5.2 JTAG边界扫描测试边界扫描测试
4.5 硬件测试
4.5.2 JTAG边界扫描测试边界扫描测试
4.6 PLD产品概述产品概述
4.6.1 Lattice公司的公司的PLD器件公司的器件
1. ispLSI系列器件系列器件 2. MACHXO系列系列 3. MACH4000系列系列 4. LatticeSC FPGA系列系列 5. LatticeECP3 FPGA系列系列
其他PLD公司：公司：其他公司 ACTEL公司： ACT1/2/3、40MX 公司：公司、 ATMEL公司：ATF1500AS系列、40MX 公司：系列、公司系列 CYPRESS公司公司 QUIKLOGIC公司公司
SO MUCH IC！
FPGA CPLD
三大可编程逻辑器件公司样片
封装形式 20 脚 PL 、32 脚 TQFP CC 8 脚 PDIP、20 脚PLCC 8 脚 PDIP、20 脚PLCC 8 脚 PDIP、20 脚PLCC、32 脚TQFP 8 脚 PDIP、20 脚PLCC、32 脚TQFP 8 脚 PDIP、20 脚PLCC、32 脚TQFP

数字系统设计课件(自制)第2章

2.1
算法设计
2.1.2 跟踪法跟踪法就是按照已确定的系统功能，由控制要求逐步细化、逐步具体化，从而导出系统算法。
例2.2 试设计一个简易的5位串行码数字锁，该所在受到5位与规定相符的二进制数码时打开，使相应的灯点亮。试导出该串行码数字锁的算法流程图。 SETUP和START是外部输入控制信号，灯LT在操作过程正确且5位串行码正确时燃亮，否则显示错误的灯LF亮，同时喇叭告警（规定时限）。
2.1
算法设计
开始
WSETUP
OPR
N
SETUP=1? Y WAIT 数码正确且操作正确？ Y LT点亮
N LF点亮，喇叭报警
N
START=1?
Y
2.1
算法设计
2.1.3 归纳法归纳法就是先把比较抽象的设计要求具体化，而后再进行一般规律的归纳，由此推导出系统算法。具体步骤为：先假设一组特定数据，从解决具体数据处理和数据变换入手，从中发现普遍规律，最后求导待设计系统的完整的算法流程图。
数据处理单元又叫受控电路，主要功能：数据存储、算术和逻辑运算、数据传送和变换。 2.4.1器件选择 1.易于控制 2.满足非逻辑的约束要求（1）性能因素：运行速度(ECL最快)、可靠性、可测试性。（2）物理因素。（3）经济因素。
2.4.3数据处理单元设计实例
例2.11 试导出例2.2中5位串行码数字锁的数据处理单元逻辑电路图。（1）导出逻辑框图（2）选择器件（3）串行数字锁控制信号序列的确定
2.2
算法结构
2.2.1 顺序算法结构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。在顺序算法结构中，若待处理数据是单个元素D，假设它完成算法流程需要经历 l段，每段平均时间为△，则所需要的运算时间为: t=l* △ 若待处理的数据是连续输入的数据流，则含有n个元素的数据流总的运算时间为： Ts=n*t=n*l* △ 特点：执行速度较慢，但实现系统的硬件配置简单，成本较低。

数字系统的设计方法PPT共30页

⑶. 同步和异步电路的选择在设计时应尽可能采用同步电路设计，避免
使用异步电路。
⑷. 最优化设计
由于PLD的逻辑资源、连线资源和I/O资源是有限的，器件的速度和性能也是有限的，因此系统设计要考虑最优化。
两个约束条件：边界条件、最优化目标。边界条件：指器件的资源和性能限制。最优化目标：器件资源利用率最高。
仿真结果：
2. 多路数据选择器/多路分配器：
16选4多路数据选择器
S1 S0
00 01 10 11
Y0 Y1 Y2 Y3
a0 a1 a2 a3 b0 b1 b2 b3 c0 c1 c2 c3 d0 d1 d2 d3
输入信号： a0~a3,b0~b3, c0~c3,d0~d3
选择信号： S1,S0
数字系统的设计方法
怎样思想，就有怎样的生活
第五讲：数字系统设计方法
3. 设计准则
⑴. 分割准则：
• 分割后最底层的模块应适合用逻辑语言进行表达。 • 相似的功能应尽量设计成共享模块，以减少重复设计，提高设计效率。 • 接口信号线最少：以交互信号线最少的地方为边界划分模块。 • 结构匀称。 • 通用性好，易于移植。
⑵. 系统的可观测性系统的可观测性问题是指：在系统设计中，
应同时考虑功能检查和性能测试。
在系统设计的同时设计观测电路（即：观测器），将系统内部的重要信号引向器件管脚输出，供外部测试。
一般可将系统的关键点信号，以及具有代表性的节点和线路上的信号，引向器件管脚输出，供外部测试。如：时钟、同步信号等。
系统工作速度最快，延时最小。布线最容易，即可实现性最强。
二、组合逻辑电路设计
1. 4 bits 格雷码/二进制码变换器：

明悦数字系统设计

H8302 S-PoE交换机 8+1网路接口，8口带系统供电功能内置VLAN网络功能
H8301 住户数字网关住户间隔离，住户内扩展全数字支持IOS及Android无线设备可视对讲
© ABB Group December 23, 2014 | Slide 8
YSM01-PS 系统电源 27V/3A直流输入， 100~240V宽电压输入
嵌入式的需要埋墙盒嵌入式的需要埋墙盒
H8302 H81331K-S H81332K-S
4133F YSM14-CR+ H8301 YSM01-PS
S-PoE交换机大堂机大堂机
埋墙盒数字刷卡头全数字家用网关电源
Lobby Station ID Lobby Station IC
Flush Mount Box Card reader
电源门口机
单元系统示意图（全数字室内机）
64/32
室内机 1
室内机2
室内机8
0101
IP gateway Wifi router IOS Android
电源
0102
门口机1
© ABB Group December 23, 2014 | Slide 14
门口机8
本方案IP gateway计划上市日期约2013年7月
其它设备
HSM36-GU 数字管理机
© ABB Group December 23, 2014 | Slide 9
数字室内机后部扩展模块连接改模中，实际安装方式改竖为横躺，待更新
数字室内机总线接口
扩展型室内机预埋盒埋墙安装 27V供电输入
模拟扩展室内机3 模拟扩展室内机2 模拟扩展室内机1 二次确认门口机1+开锁输出二次确认门口机2+开锁输出

一章认识数字系统设计开发环境ppt课件

4) 设计仿真
（3）添加激励。通过拖曳波形，产生想要的激励输入信号。通过如图1.23所示的波形控制工具条为波形图添加输入信号，2输入与非门的两个输入端的激励信号如图1.24所示。
4) 设计仿真
（4）功能仿真。添加完激励信号后，保存波形文件。选择 “Processing”菜单下的“Simulator Tool”选项，出现如图1.25所示的仿真工具对话框。
特点：采用电可擦除，无需编程器结构特点：与GAL类同，加以改进
输入/输出单元（IOC）通用逻辑模块（GLB）可编程布线区：全局布线区（GRP），输
出布线区（ORP） GLB结构及功能：与GAL类似 IOC结构及功能：8种工作方式
2.1 可编程逻辑器件原理
CPLD可分为三块结构 ➢宏单元（Marocell) ➢可编程连线（PIA) ➢I/O控制块
4) 设计仿真
（1）建立波形文件。选择“File”菜单下的“New”命令，在弹出的窗口中选择 “Vector Waveform File”，新建仿真波形文件，如图1.18所示。出现波形文件编辑窗口，点击“File”菜单下的“Save as”选项，将该波形文件另存为 “work1.vwf”。（2）添加观察信号。在波形文件编辑窗口的左边空白处单击鼠标右键，选择 “Insert”选项下的“Insert Node or Bus”命令，如图1.19所示，出现如图1.20所示的“Insert Node or Bus”窗口。
低密度可编程逻辑器件（LDPLD）
高密度可编程逻辑器件（HDPLD）
PROM PLA PAL GAL
EPLD
CPLD
FPGA
PROM： Programmable Read-Only Memory PLA：(Programmable Logic Array)是可编程逻辑阵列的简称，

数字系统设计的基础知识

统。
05
数字系统的测试与验证
测试策略与技术
单元测试
对数字系统的各个模块进行独立测试，确保每个模块的功能正常。
系统测试
对整个数字系统进行测试，确保系统满足设计要求和功能需求。
集成测试
将各个模块组合在一起进行测试，确保模块之间的接口正常工作。
验收测试
在数字系统交付之前，对系统进行全面测试，确保系统能够满足用户需求。
案例分析：数字钟的设计需要高精度的计时和稳定的时钟源。石英晶体振荡器的选择对数字钟的准确性和稳定性至关重要。此外，数字钟还需要考虑功耗和尺寸，以便于在各种应用场景中实现。
案例三：数字信号处理系统的设计
01
总结词：高效灵活
02
详细描述：数字信号处理系统是一种用于处理和分析信号的数字系统。它通常由输入预处理电路、数字信号处理器和输出后处理电路组成。数字信号处理器执行信号的滤波、频谱分析、去噪等处理操作。
数字系统的发展历程
电子管时代
20世纪初，电子管作为数字系统的基本元件，实现了计算机的初步发展。
02
晶体管时代
20世纪50年代，晶体管取代电子管成为数字系统的基本元件，推动了计算机小型化、便携化的发展。
01
互联网时代
21世纪初，互联网技术的普及和发展，使得数字系统在信息传输和处理方面发挥着越来越重要的作用。
03
的计数器用于控制指令的执行顺序。
存储器
存储器是数字系统中用于存储大量二进制数据的元件。
存储器由多个存储单元组成，每个存储单元可以存储一个二进制位。
存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）等类型，在计算机和其他数字系统中有着广泛的应用，如计算机的内存和硬盘等。

01数字系统设计概述

2. 按生产目的分类： ·通用集成电路； ·专用集成电路（Application
Specific Integrated Circuit, ASIC）。
3. 按实现方式（设计风格）分类： ·全定制（Full -Custom）方式； ·半定制（Semi-Custom）方式；
1.1.2 SOC 二十世纪末期，集成电路工艺技术进入深亚微米阶段，单个芯片中已经可以容纳包括硬件和软件整个系统，即所谓系统级芯片（System On a Chip, SOC）。
1.2.2 设计过程
设计的过程实际上就是从概念到制造的过程，即把高层次的抽象描述逐级向下进行综合和实现，细化为接近物理实现的低层次描述。在设计中应包括一系列设计任务和相应的CAD和EDA工具。
设计过程一般由三个阶段：设计输入要求、系统设计和设计输出要求组成。
输入规格
系统设计工具
输出规格
集成电路的分类
1. 按工艺分类，最主要的有： ·金属氧化物半导体（Metal Oxide
Semiconductor, MOS）工艺； ·晶体管-晶体管逻辑（Transistor-
Transistor Logic, TTL）； ·发射极耦合逻辑（Emitter Coupled
Logic, ECL）。
2）自上而下的设计方法：
这种设计方法的思想是按从抽象到具体，从概念到实现的思路和次序进行设计的，从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。将系统的硬件设计分成3个层次：
第一层次是对整个系统购数学模型的描述，称为行为描述。
第二层次是采用RTL方式导出系统的逻辑表达式，供逻辑综合使用，称为RTL方式描述。
每个阶段又分为综合、分析和验证三个步骤。

数字系统设计和PLD应用

算法设计的几种方法
跟踪法：就是按照已确定的系统功能，由控制要求，逐步细化，逐步具体化。从而导出系统算法；归纳法：归纳法就是先把比较抽象的设计要求具体化，而后再进行一般规律的归纳，由此导出系统算法；分解法：分解法即把一个比较复杂的系统，分解（划分）成一系列简单的运算，来完成系统的复杂运算；解析法：解析法对一些难以划分（分解）的计算过程，则可以用数学分析的方法对其进行数值近似，转换成多项式，或者某种迭代过程，从而导出算法；综合法：综合法就是把上述四种方法组合起来运用，综合的考虑，逐步导出系统的算法。
输入电路控制电路 ……… 输出电路
受控电路1
受控电路n
时基电路
脉冲与数字电路课程的回顾
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
组合电路设计问题逻辑关系真值表化简逻辑图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
使用中、小规模器件设计电路（74、54 系列）
判别块：符号为菱形，块内给出判别变量和判别条件。判别条件满足与否，决定系统下一步将进行不同的后续操作。
00
A1 A0
.
10
01
F D0
F
D1
F D2
Cp
CNT M=3
D0 D1 D2 D3
MUX
F
条件块：
条件块为一带横杠的矩形块。条件块总是源于判别块的一个分支，仅当该分支条件满足时，条件块中标明的操作才被执行，而且是立即被执行。
算法就是对这种有规律、有序分解的一种描述。任何一个系统都可以用算法模型进行描述。
算法模型的特征：含有若干子运算。这些子运算实现对数据或信息的传输、存储或加工处理；具有相应的控制序列。控制子运算按一定规律有序地进行。用算法流程图来描述上述运算过程。

数字电路系统设计中英文课件教程 01 数字系统简介-introduction to Digital System Design

Combinational Circuits（组合电路） Sequential Circuits（时序电路）
Integrated Circuits
• Classified by size
SSI MSI LSI VLSI
(small-scale integration) (medium) (large) (very large)
Analyse, Design, Test
• Analyse logic relationship between input & output Boolean algebra
Truth table, Functional diagram, Boolean expression, Waveform
The most basic digital devices (AND Gate, OR Gate, and NOT Gate or Inverter)
最基本的数字器件（与、或、非门或反相器）
Flip-flops（触发器）： A device that stores either 0 or 1
一种能存储 0 或 1 的器件
• Design circuit • Test
Computer-aided design(CAD)
Computer-aided engineering (CAE)
1. Scheme & HDL
Computer-aided design(CAD)
Computer-aided engineering (CAE)
结果再现性（稳定可靠、精度更高）
– Ease of design, Flexibility, and Functionality

EDA课件—数字系统设计

延时物理时间
可编程ASIC技术
22
可编程ASIC技术
• 可编程ASIC技术概论 • Altera可编程ASIC器件 • Xilinx可编程ASIC器件
23
电子设计自动化Electronic Desige Automation（EDA）
CAE（前端） Viewlogic Summit Synopsys Cadence OrCAD Data I/O COMPASS ASIC VHDL VHDL VHDL Verilog HDL Abel CAD（后端） Xilinx Altera Lattice AMD Foundation MAX+PlusII PDS+ Microsim
Pilkington FPAA FPMA
配置文件
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集成电路的发展是从小规模—中规模—大规模—超大规模，发展的方向是两方面：通用集成电路，专用集成电路定制半定制1.标准单元 2.门阵列 3.可编程逻辑器件编程方式:1.一次编程熔丝开关, 反熔丝开关 2.多次编程浮栅编程 3.无限次编程基于SRAM编程元件 1.静态存储器 2.反熔丝开关 3.浮栅编程技术:浮栅,叠栅,电可改写,闪速存储单元
31
练习一
• 上网查找EDA相关网站及相关设计、仿真工具 • 重点查找网站 /
32
Altera¿ ±³ Ã Õ Á É à Ì Å ó Ð ¨PLD£ Í (FLEX) £ © º
13
图：嵌入式Internet应用
14
最新进展之：可编程片上系统（SOPC）
• SOPC：可编程逻辑器件在嵌入式应用中的完美体现 • SOPC的技术基础 – 超大规模可编程逻辑器件及其开发工具的成熟
• FPGA密度提高 • FPGA成本足以与ASIC抗衡 • FPGA设计、综合、仿真、测试工具性能飞速提高

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慎重地加以选择。总的原则是，所选择的方案既要能满足系统的
要求，又要结构简单，实现方便，具有较高的性能价格比。
a
7
第7章数字系统设计
2. 逻辑划分，导出系统框图
系统总体方案确定以后，可以根据数据子系统和控制子系统各自的功能特点，将系统从逻辑上划分为数据子系统和控制子系统两部分，导出包含有必要的数据信息、控制信息和状态信息的结构框图。逻辑划分的原则是，怎样更有利于实现系统的工作原理，就怎样进行逻辑划分。为了不使这一步的工作太过复杂，结构框图中的各个逻辑模块可以比较笼统、比较抽象，不必受具体芯片型号的约束。
a
5
第7章数字系统设计 7.1.2 数字系统设计的一般过程
系统调研，确定总体方案
逻辑划分，导出系统框图
功能分解，构造数据子系统
算法设计，实现控制子系统
图 7 - 2 数字系统设计过程
a
6
第7章数字系统设计 1. 系统调研，确定总体方案
接受一个数字系统的设计任务后，首先应对设计课题进行充
第7章数字系统设计
第7章数字系统设计
7.1 数字系统设计概述 7.2 控制子系统的设计工具 7.3 控制子系统的实现方法 7.4 数字系统设计举例
a
1
第7章数字系统设计
7.1 数字系统设计概述
1. 什么是数字系统
在数字电子技术领域内，由各种逻辑器件构成的能够实现某
种单一特定功能的电路称为功能部件级电路，例如前面各章介绍
分的调研，深入了解待设计系统的功能、使用环境与使用要求，
选取合适的工作原理与实现方法，确定系统设计的总体方案。这
是整个设计工作中最为困难也最体现设计者创意的一个环节。因
为同一功能的系统有多种工作原理和实现方法可供选择，方案的
优劣直接关系到所设计的整个数字系统的质量，所以必须对可以
采用的实现原理、方法的优缺点进行全面、综合的比较、评判，
一般来讲，数据子系统通常为人们熟悉的各种功能电路，无论是采用现成模块还是自行设计，都有一些固定的方法可循，不用花费太多精力。相对说来，控制子系统的设计要复杂得多。因此，人们往往认为数字系统设计的主要任务就是要设计一个好的控制子系统。
a
11
第7章数字系统设计
经过上述四个步骤后，数字系统设计在理论上已经完成。为了保证系统设计的正确性和可靠性，如果有条件的话，可以先采用EDA软件对所设计的系统进行仿真，然后再用具体器件搭设电路。搭设电路时，一般按自底向上的顺序进行。这样做，不仅有利于单个电路的调试，而且也有利于整个系统的联调。因此，严格地讲，数字系统设计的完整过程应该是“自顶向下设计，自底向上集成”。
整个操作进程。
a
4
第7章数字系统设计
由此不难看出，在这种结构下，有无控制器就成为区分系统级设备和功能部件级电路的一个重要标志。凡是有控制器且能按照一定程序进行操作的，不管其规模大小，均称为数字系统；凡是没有控制器、不能按照一定程序进行操作的，不论其规模多大，均不能作为一个独立的数字系统来对待，至多只能算一个子系统。例如数字密码锁，虽然仅由几片MSI器件构成，但因其中有控制电路，所以应该称之为数字系统。而大容量存储器，尽管其规模很大，存储容量可达数兆字节，但因其功能单一、无控制器，只能称之为功能部件而不能称为系统。
控制子系统习惯上称为控制器或控制单元，它是数字系统的
核心。数据子系统只能决定数字系统能完成哪些操作，至于什么
时候完成何种操作则完全取决于控制子系统。控制子系统根据外
部控制信号决定系统是否启动工作，根据数据子系统提供的状态
信息决定数据子系统下一步将完成何种操作，并发出相应的控制
信号控制数据子系统实现这种操作。控制子系统控制数字系统的
例如，某个数字系统中有10次乘法操作，且参与乘法操作的数据
可以同时提供。如果数据子系统有10个乘法器，则控制算法中就
可以让这10次乘法操作同时完成；但如果数据子系统中只有一个
乘法器，则控制算法就只能是逐个完成这10次乘法操作。因此，
算法设计要紧密结合数据子系统的结构来进行。
a
10
第7章数字系统设计
a
8
第7章数字系统设计
3. 功能分解，逻辑功能划分后获得的数据子系统结构框图中的各个模块还比较抽象，功能也可能还比较复杂，必须进一步对这些模块进行功能分解，直到可用合适的芯片或模块来实现具体的存储和处理功能。适当连接这些芯片、模块，就可构造出数据子系统的详细结构。必须注意，为了简化控制子系统的设计，数据子系统不仅要结构简单、清晰，而且要便于控制。
图 7 - 1 数字系统的一般结构
a
3
第7章数字系统设计
数据子系统是数字系统的数据存储与处理单元，数据的存储、传送和处理均在数据子系统中进行。它从控制子系统接收控制信息，并把处理过程中产生的状态信息提供给控制子系统。由于它主要完成数据处理功能且受控制器控制，因此也常常把它叫做数据处理器或受控单元。
a
9
第7章数字系统设计 4. 算法设计，实现控制子系统
根据导出的数据子系统结构，编制出数字系统的控制算法，得到数字系统的控制状态图，并采用同步时序电路设计的方法完成控制子系统的设计。
数字系统的控制算法反映了数字系统中பைடு நூலகம்制子系统对数据子系
统的控制过程，它与系统所采用的数据子系统的结构密切相关。
a
的加法器、比较器、译码器、数据选择器、计数器、移位寄存器、
存储器等就是典型的功能部件级电路，它们只能完成加法运算、
数据比较、译码、数据选择、计数、移位寄存、数据存储等单一
功能。而由若干数字电路和逻辑部件构成的、能够实现数据存储、
传送和处理等复杂功能的数字设备，则称为数字系统(Digital
System)。电子计算机就是一个典型的复杂数字系统。
a
2
第7章数字系统设计
2. 数字系统的一般结构
按照现代数字系统设计理论，任何数字系统都可按计算机结构原理从逻辑上划分为数据子系统(Data Subsystem)和控制子系统 (Control Subsystem)两个部分，如图7-1所示。
外部输入
控制子系统
状态信息控制信息
数据子系统
数据输入数据输出