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数字系统设计概述27页PPT

数字系统设计概述27页PPT

谢谢！
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦 境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
数字系统设计概述4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿

数字系统设计.ppt

数字系统设计.ppt
无需厂家参与设计生产 定来设义定：。是可这一重样种复就集设可成计以电，由路改设，变计它芯人的片员逻的自辑功行功能编能程按把照一用个户数对字器系件统编程 “集成”可在通一过片EDPALD软上件，在而实不验必室去进请行芯操片作制造厂商设计和制 作专用的速集度成/功电耗路/面芯积片不了及。全定制/半定制设计的数字系统
智能
逻辑运算
系统
存
输入
储 器
控制 电路
控制信号 数据 条件信号 处理
输出 接口
2019/12/31
GUET School of Information & Communications
数据输出
12
▪ 输入电路 ➢ 完成信号的转换：模数转换器、译码器、数据选 择器和寄存器 ➢ 输入应该包含缓冲电路
▪ 输出电路 ➢ 输出驱动与执行 ➢ 译码器、显示电路、寄存器和数模转换器来实现 ➢ 输出应该锁存
2019/12/31
GUET School of Information &
13
Communications
▪ 数据处理器 ➢ 主要包括逻辑运算与算术运算 ➢ 数字系统不可缺少的部分
▪ 控制器 ➢ 协调数字系统工作的部件 ➢ 数字系统不可缺少的部分 ➢ 输入：时钟/条件信号/全局信号/…… ➢ 输出：控制信号/相对于时钟的信号(时序)/……
▪ 时钟电路 ➢ 产生使系统工作的同步全局信号——时钟
2019/12/31
GUET School of Information &
14
Communications
▪ 复杂数字系统的组成
➢ 控制器 ➢ 若干子系统
子
子
子
系
系
系

《数字系统设计》PPT课件

《数字系统设计》PPT课件

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

数字系统的设计方法PPT共30页

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：

数字系统设计ppt课件

数字系统设计ppt课件

数字系统设计与CPLD应用
29
硬件描述语言 HDL Hardware Description Language
用于设计硬件电子系统的计算机语言，它用软件编程的 方式来描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接形式，与 传统的门级描述方式相比，它更适合大规模系统的设计。
Abel HDL AHDL Verilog HDL VHDL Hardware C
数字系统设计与CPLD应用
30
例如，一个二选一的选择器的电原理图如图0－4所示
图0－4 二选一选择器的电原理
数字系统设计与CPLD应用
31
用VHDL语言描述的二选一选择器如下：
ENTITY mux IS
PORT(d0，d1，sel ：IN BIT ；
q ：OUT BIT) ；
END mux ；
ARCHITECTURE connect OF mux IS
数字系统设计与CPLD应用
19
自底向上(Bottom to Up)的主要设计步 第一步:选择逻辑元、骤器件。
由数字电路的基本知识可知，可以用与非 门，或非门，D触发器，JK触发器等基本逻 辑元、器件来构成一个计数器。设计者根据 电路尽可能简单，价格合理，购买和使用方 便及各自的习惯来选择构成六进制计数器的 逻辑元、器件。
当今的产品开发设计人员通常
采用建立数字系统的算法模型来
设计数字系统。
数字系统设计与CPLD应用
12
§ 0.2 数字系统设计方法论
• 数字系统设计的两个分支：
1.系统硬件设计
2.系统软件设计。
• 随着计算机技术的发展和硬件描述语言HDL（ Hardware Description Language）的出现 ，硬件设计方法又有了新的变化。

ch81数字系统设计PPT课件

ch81数字系统设计PPT课件
3，8 COM
（b）
12
数字系统设计
16 15 14 13 12 11 10 9 VDD f g a b c d e
CD4511 B C LT BI LE D A VSS 12 3 4 5 6 7 8
（a）
输入
显示
LE BI LT D C B A
L H H LLLL
0
L H H L L LH
1
L H H L LHL
输出低电平电流
VIH(min) VIL(max) VOH(min) VOL(max) IIH(max) IIL(max) IOH(max)
IOL(max)
传输延迟时间
tpd
2V 0.8V 2.7V 0.5V 20μA －0.4mA 0.4mA －8mA
15nS
3.5V 1.5V 4.6V 0.05V 0.1μA －0.1μA 0.51 mA
T
1 0 1－ 03
R 12R 2C 1ln 20. 3 1－ 3 0 6 0 .74k Ω 3
取R2=15kΩ，则R1=13kΩ，由9.1kΩ 固定电阻和10kΩ可变电阻组成。
7
数字系统设计
分频电路
16 15 14 13 12 11 10 9 VDD CR CP1NH CO Q9 Q4 Q8
CD4017 Q5 Q1 Q0 Q2 Q6 Q7 Q3 VSS 12 3 4 56 7 8
CD4518 1CP 1EN 1Q0 1Q1 1Q2 1Q3 1CR VSS 12 3 45 6 7 8
个位计数器输出
10Hz信号输入
清零信号输入
11
数字系统设计
g f COM a b 10 9 8 7 6
a

《基于FPGA的现代数字系统设计》课件第1章


基于EDA技术的所谓“自顶向下”的设计方法正好相 反，它主要采用并行工程和“自顶向下”的设计方法，使开 发者从一开始就要考虑到产品生成周期的诸多方面，包括质 量、成本、开发时间及用户的需求等。该设计方法首先从系 统设计入手，在顶层进行功能划分和结构设计，由于采用高 级语言描述，因此能在系统级采用仿真手段验证设计的正确 性，然后再逐级设计底层的结构，用VHDL、Verilog HDL 等硬件描述语言对高层次的系统行为进行电路描述，最后再 用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，其对 应的物理实现级可以是印刷电路板或专用集成电路。“自顶 向下”设计方法的特点表现在以下几个方面：
EDA技术融合电子技术、集成电路制造技术、计算机 技术和智能化技术等，以计算机为工作平台，以相关的 EDA软件为开发工具，以大规模可编程逻辑器件为设计载 体，以硬件描述语言(Hardware Description Language)为系统 逻辑描述的主要方式，自动完成系统算法和电路设计。 EDA技术已有30多年的发展历程，大致可分为20世纪70年 代的计算机辅助设计(CAD)阶段、80年代的计算机辅助工程 (CAE)阶段和90年代后的电子系统设计自动化(EDA)阶段。
3) 集设计、仿真和测试于一体 现代的EDA软件平台集设计、仿真、测试于一体，配 备了系统设计自动化的全部工具，这些工具包括：多种能兼 容和混合使用的逻辑描述输入工具以及高性能的逻辑综合、 优化和仿真测试工具。电子设计师可以从概念、算法、协议 等开始设计电子系统，将电子产品从电路设计、性能分析到 设计出IC版图或PCB版图的整个过程在计算机上自动处理完 成。
PLD从20世纪70年代发展到现在，已形成了许多类型的产品，其结 构、工艺、集成度、速度和性能都在不断地改进和提高。最早期的可编 程逻辑器件有可编程只读存储器(PROM)、紫外线可擦除只读存储器 (EPROM)和电可擦除只读存储器(E2PROM)，其后出现了结构上稍复杂 的可编程芯片，它能够完成各种数字逻辑功能，这一阶段的产品主要有 可编程阵列逻辑(PAL)和通用阵列逻辑(GAL)。由于受到结构规模的限制， 以上这些PLD只能完成简单的数字逻辑功能，称为简单低密度PLD器件。 进入90年代后伴随着铜微处理器硅芯片技术的发展，可编程逻辑器件在 体积与性能上得到了更良好的体现，出现了复杂高密度PLD器件，如 1984年Xilinx公司发明的现场可编程门阵列FPGA (Filed Programmable Gate Array)以及随后出现的复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)，它们直接面向用户，具有极大的灵活性和 通用性、使用方便、开发效率高、成本低以及工作可靠性好等特点，因 而很快得到普及和应用，发展非常迅速。

现代数字系统设计(本科)第9章_图文(精)

第9章SOC和硬件/软件协同设计技术9.1硬件/软件(HW/SW协同设计概述9.2SOC的开发应用及IP技术9.3 可编程单片系统(SOPC及其设计工具习题与思考题9.1 硬件/软件(HW/SW协同设计概述系统协同设计的目标是以最小的成本达到系统的最大价值,并能缩短上市时间和生产周期。

其主要设计原则可归纳为:●提高性能、降低功耗、减小体积和重量轻;●易于编程、调试和测试;●可维护性、安全性和可靠性好;●设计、制造成本低;9.1.1 硬件/软件协同设计方法学硬件/软件协同设计方法学集中反映了以自上而下(Top Down设计方法为中心的设计思路,其目的是:解决如何从系统原始的计算模型出发,有效地利用标准方法和EDA工具来指导设计和生产的问题。

这是一个十分复杂的问题,要解决这些问题需完成以下任务:●提出规格要求,确定设计方案,设计方案细化(Specify, Explore,Refine;●得到不同抽象级的各层次模型(Hierarchy of Models;●硬件/软件的交互和反馈式设计(Designed with Interaction and Feedback;●权衡评价后,最后划分模块(Final Partitioning;●协同规格设计说明(Co-specification;●协同综合(Co-synthesis;●协同验证(Co-verification。

协同设计代表包括硬件和软件部件的系统规格和设计方法学。

一个协同设计方法学是由细化这些设计任务和代表这些细化的模型组成的。

硬件/软件协同设计是一个非常活跃的研究领域;硬件/软件协同设计工具正在商品化之中,大多数商用协同设计工具是协同仿真引擎。

近年来在理论和商业应用方面有了很大的进展,特别是规格语言,结构探索工具,用于划分、调度和综合的算法,用于定制软件和硬件综合的后端工具。

硬件/软件协同设计研究的范畴如图9-1所示。

即硬件/软件协同设计是系统设计的子集;硬件/软件协同设计包括协同综合和协同仿真;而硬件/软件划分可归属于协同综合范畴。

第六章数字系统设计PPT课件


◆数据处理单元的设计
◆控制单元的设计
乘法控制器的ASM图
◆控制器输入输出信号表
◆控制器的VHDL源程序—mulcon.vhd
◆控制器仿真结果
◆乘法器顶层原理图
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
设计师可在较短的时间内采用各种结构芯片来完成同一功能 描述,从而在设计规模、速度、芯片价格及系统性能要求等方面 进行平衡,选择最佳结果。
● 层次化设计方法分层原则
将所有的算术运算安排在同一层中，状态机、 随机逻辑、数据路径等逻辑类型作为独立的 模块设计
模块的输入尽量不要悬空，输出应尽量寄存。 单个功能块应保持在3000～6000门之间，
目前的电子产品正向模块化发展,所谓模块化就是对以往设 计成果进行修改,组合和再利用,产生全新的或派生设计,而自顶 向下设计方法的功能描述可与芯片结构无关。因此可以以一种 ＩＰ的方式进行存档,以便将来的重新利用。 设计规模大大提高
简单的语言描述即可完成复杂的功能,而不需要手工绘图。 芯片选择更加灵活
4 底层模块的仿真
（1）LOCK模块的仿真结果
（2）CNT12的仿真结果
（3）CNT10模块的仿真结果
（4）CODE模块的仿真结果
5 频率计顶层原理图的输入
6 频率计仿真结果
● 数字乘法器的设计
设计一4×4 二进制乘法器 设计步骤： 1.算法设计 2.电路划分 3.数据处理单元的设计 4.控制单元的设计
2 顶层原理图
3 底层模块设计
在顶层原理图中共有 5个模块：CNT12、 CNT10、CODE、 LOCK、DECODER （1）十二进制加法计 数器CNT12的VHDL 语言源程序

数字系统设计与实现.ppt


• txhold：数据发送保持信号，标准逻辑向量型:
•
std_logic_vector(0 TO 7)；
• txreg ：数据发送存储器，标准逻辑向量型:
•
std_logic_vector(0 TO 7)；
• txtaห้องสมุดไป่ตู้2：查找数据标志位，标准逻辑型: std_logic；
• txtag1：清空寄存器，标准逻辑型: std_ logic；
图9.7 UART数据接收时序图
9.2.1 UART程序设计
1. 库与实体端口的定义 UART的设计中，调用的库文件有IEEE库，打开的程序
包有：std_logic_1164、 std_logic_arith、 std_logic_unsigned。
• 实体端口的定义如下：
•
PORT (clkx16 : IN std_logic;
9.1 时钟电路的设计与实现
数字系统设计一般采用自顶向下的层次化设计方
法，在MAX+plusⅡ环境下可利用层次化设计方法实现 自顶向下的设计。电路设计时，分析设计要求，划分 模块，进行低层设计，然后进行顶层设计的连接。下 面以图形和文本混合输入为例，设计一个时钟电路， 时钟电路由模60计数器构成秒、分电路，模24计数器 构成小时电路，生产各模块的符号文件，最后用时、 分、秒模块构成顶层时钟电路。
位寄存器（TSR）进行移位？即处理THR和TSR的关系。
•
数据位有7、8位两种，校验位有三种，因此发送的数
据可能有9、10、11位三种长度，所以需要按照所设置的 传输情况分别进行处理。可以通过CPU写一个端口数据设 置数据位、校验方式，发送和接受根据该数据设置进行处 理。
• 根据以上分析，UART的数据发送定义如下信号：
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▪ 在小信号条件下使用的运放是用单 位增益带宽（在开环状态下使其增 益下降到直流增益的0dB时所对应 的输入工作频率，用fT或GB表示） 来定义的。
20
0 fH
f fHf fT
▪ 在大信号条件下工作的运放是用最大输出带宽（不失真的最大输出的频 率）、或增益带宽积GBW（在开环增益下降至直流增益的－3dB时所 对应的输入信号频率称为增益带宽，增益带宽与增益的乘积就称为增益 带宽积）。
▪ 用CD4060及32768晶振作为2Hz、4Hz、8Hz等 时钟脉冲源时，典型接线方法如下图，从计数器 输出端可以得到多种32.678kHz的分频脉冲。
集成运放的四个重要参数
（1）增益带宽乘积GBW
Avd (dB) 100
GBW=中频开环差模增益×上限截止频率
-20dB/10倍频
▪ 根据运放的使用目的，在小信号状 态下和在大信号状态下，宽频带型 的定义是不同的。
数字子系统的设计依据——系统功能的算法。
▪ 控制子系统是执行算法的核心，由一些组合逻辑 电路和触发器等元件组成，是一个具有记忆能力 的时序系统。
控制子系统的设计依据——系统功能及数据 子系统的要求。
2-5-3控制子系统的微程序设计
▪ 就是把控制子系统中每一个状态要输出的控制信 号以及该状态的转移去向按一定的格式编写成条
▪ 此指标的大小，表示了集成运放对共模信号 （通常是一种干扰信号）的抑制能力。
▪ 定义为开环差模增益Avd和开环共模增益Avc之比
CMRR 20lg Avd (dB) Avc
电压VicM
▪ VidM是运放两输入端间所能承受的最大差 模电压值。超过该值，输入级某一側的晶 体管将出现反向击穿现象。
文，称其为微指令，将它们保存在存储器中，例 如ROM，EPROM等。运行时，按预定的要求逐 条取出这些微指令，从而实现控制过程。
输入
输出
ROM
D触发器
控制子系统的微程序设计
▪ 适用于系统很复杂，系统的MDS图中的状 态数目很多，输入、输出变量很多的情况。
▪ 与用硬件方法实现控制器相比其优点：设 计规范，易于模块化，便于二次集成，适 用于任何算法，也便于修改，非常灵活； 缺点：速度较慢，受ROM速度的约束。
寄存器传输方程 算法
逻辑级（门级）
逻辑方程 时序状态
电路器件级 （晶体管级）
微分方程 函数
行为描述
处理器 控制器 存储器、总线等
ALU、数据选择器 寄存器、存储器等
门 触发器
晶体管 连线
结构描述
▪ 数据子系统主要完成数据的采集、存储、运算处 理和传输；主要由存储器、运算器、数据选择器 等部件组成。
1. 什么是电子系统？
▪ 电子系统分为模拟型、数字型及两者兼而有之的 混合型三种，无论哪一种电子系统，它们都是能 够完成某种任务的电子设备。
▪ 一般的电子系统由输入、输出、信息处理三大部 分组成，用来实现对信息的采集处理、变换与传 输功能。
2. 描述数字系统的方法
➢ 逻辑表达式、真值表、卡诺图、状态图等 ➢ MDS图 （1）系统模型描述法：用逻辑图、状态图、流程 图等来描述数字系统的方法。
电饭锅的构造 思考与讨论： ●开始做饭时为什么 要压下开关按钮？ ●若用电饭锅烧水， 水在沸腾以后是否会 自动断电？
转移地址信息 （激励函数）
译码器
微 地 址 产 生 器
控制存储器 存放微指令。
控制信号
▪ 微程序控制器主要由控制存储器CS、微地 址产生器和控制器三大部分组成。
▪ 在有的微指令中还有定时段，用以指示执 行该条微指令所需的时间周期。在该条微 指令操作完成以前，微地址的值不变。详 见51页图2-53
▪ 设计微程序控制器主要就是实现对微程序 的控制及编写微指令两项工作。
▪ VicM是两输入级能正常工作的情况下允许 输入的最大共模信号。当共模输入电压超 过此值时，集成运放便不能对差模信号进 行放大。
电烫斗的构造
思考与讨论： ●常温下两触点是接触还是分离？ ●如何用调温旋钮来升高或降低电烫斗的工作温度？
3 .电饭锅
感温铁氧体的“居里点”：
感温铁氧体在常温下具有铁磁性，但温度升高 到103℃时便失去了铁磁性，这个温度称为这种材 料的“居里温度”或“居里点”。
▪ 对于一个单极点放大器的频率特性而言，其GBW是一个常数。
（2）摆率（转换速率）SR
▪ 摆率是表示运放所允许的输出电压Vo对时 间变化率的最大值。
▪ 转换速率通常用单位V /μs来表示。通用型 运放的转换速率规定在5V/μs以下，而转换 速率在5V/μs以上者即为高性能运放。
例
▪ 有一个以F007接成的电压跟随器电路，已 知集成运放F007的摆率SR＝0.5V/μs，请 问当输入一个频率50kHz，幅度2V的正弦 波，其输出失真吗？其不失真的最大输出 电压多少？
2.5.3.1
微程序控制器典微地型址产结生器构产 生下一条应执行
的微指令。
微控制器产 生局部时钟， 控制各寄存 器的操作， 接收数据子 系统的开启 或终止信号。
DONE
条件 LOAD
微 控 制 器
外地址
微地址产生器 （组合电路）
微地址寄存器 CSAR
控制存储器 CS
微控制信息 （微命令段）
微指令寄存器 MIR
——该方法适用于相对简单的系统，这种系 统的输入、输出变量以及系统的状态都比较少， 所需要的寄存器也比较少。
（2）描述语言法：适用于当系统的输入、输出变 量增多、状态很多时，该描述语言表达的算法称 为系统的算法模型。
除“系统功能级”外，不同层次上的设计 描述和对象
行为处理级
性能指标 流程图 算法
寄存器传输级
2.5.3.3 微程序流的控制
▪ 微程序流的执行方法可以有许多种，如顺 序的、条件转移或无条件转移、循环或子 程序调用等，因此控制方法也是多样的， 这些方法集中到一点，即如何设计微程序 控制器中的微地址产生器。
▪ 微地址产生器如何根据当前的微指令及一 些相应的条件来确定下一条微指令的地址。
秒脉冲发生器
解：由摆率公式
SR
dvo dt
正弦电压 可以推出
vo Vom sin t
SR
dvo dt
Vom 2f Vom
所以电压跟随器电路不失真的最大输出电压
Vom
SR
2f
0.5 10 6
2 5 10 4
1.6(V )
可见，当输入一个频率50kHz，幅度2V的正弦 波，其输出失真。
（3）共模抑制比CMRR