最新Verilog八讲同步数字系统设计基础PPT课件
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精品课件-Verilog HDL数字系统设计-Verilog HDL数字系统设计-第1章
编程器件的基础上进一步发展的产物，它是作为ASIC领域中的 一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服 了原有可编程器件门电路有限的缺点。
第1章 概 述
26
如前所述，FPGA是由存放在片内的RAM来设置其工作状态的， 因此工作时需要对片内RAM进行编程。用户可根据不同的配置模 式，采用不同的编程方式。FPGA有如下几种配置模式：
第1章 概 述
1
第1章 概
述
1.1 EDA技术简介 1.2 可编程器件 1.3 Verilog HDL简介
第1章 概 述
2
1.1 EDA技术简介
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(EDA，Electronic Design Automation)技术。所谓 EDA技术，就是依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上， 对以硬件描述语言(HDL，Hardware Description Language)为 系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地进行逻辑编译、化 简、分割、综合、布局布线以及逻辑优化和仿真测试，直至实 现既定的电子线路系统功能。
6．目标器件的编程/下载 7．硬件仿真与测试
第1章 概 述
18
1.2 可 编 程 器 件
1.2.1 可编程逻辑器件概述 随着数字电路的普及，传统的定制数字集成电路器件已满
足不了应用的需求，可编程逻辑器件(PLD)应运而生，并逐渐地 成为主流产品。PLD与传统定制器件的主要区别是它的可编程性， 它的逻辑功能是由用户设计的，并且一般都可重复编程和擦除， 即PLD是能够为客户提供范围广泛的多种逻辑能力、特性、速度 和电压特性的标准成品部件，而且此类器件的功能可在任何时 间修改，从而实现多种不同的功能。对于可编程逻辑器件，设 计人员可利用价格低廉的软件工具快速开发、仿真和测试其设 计。
VerilogHDL数字设计初步.ppt
//加数,位宽4位,输入 //低位进位,输入 //和,输出 //高位进位,输出 //逻辑功能定义
endmodule 说明：
模块名称：adder4 端口列表：a, b, cin, sum, cout 端口定义：input [3:0] a,b; output [3:0] sum; input cin;… 功能描述：assign {cout, sum}=a+b+cin;
Top-down结构化设计思想
一个系统由总设计师先进行系统描述，将系统划分为若干模块，编写模块 模型(一般为行为级)，仿真验证后，再把这些模块分配给下一层的设计师， 由他们完成模块的具体设计，而总设计师负责各模块的接口定义
顶层模块
子模块1
子模块2
子模块3
基本 元件
基本 元件
基本 元件
基本 元件
基本 元件
同一层模块之间的设计复杂度、资源消耗等不能有太大的悬殊 模块的设计应与器件无关，便于升级与移植
模块划分应力求结构均称
模块设计通用性好，易于移植
Verilog模块的定义
语法：
module <模块名称> （端口列表）;
<定义> ; <模块功能描述> ;
endmodule module关键字声明模块开始 <模块名称>是模块惟一的标识符 <端口列表>用于与其他模块的连接（相当于器件的引脚） <定义>定义数据对象的类型（信号、端口等） <模块功能描述>定义模块（器件）的逻辑功能 endmodule关键字标识模块结束
verilog数字系统设计教程PPT课件
数字系统设计的核心知识
• 复杂数字系统的构成； • 基本电路和 Verilog 的对应关系； • 同步有限状态机在电路中的作用； • 时钟树与自动综合技术
数字逻辑电路的构成
- 组合逻辑：输出只是输入逻辑电平的函
数（有延时），与电路的原始状态无关。
• 时序逻辑：输出不只是输入的逻辑电
平的函数，还与电路所处的状态有关。
8 ‘ d 31
8‘d
t
out[15:0]
202
16 ‘ d
16‘ d
t
Sn 开
93
606
t 关
全局时钟网和平衡树结构
触发器1
全局时钟网络 触发器 图1 全局时钟网示意图
缓冲器
触发器n
图2 平衡树结构示意图
避免冒险和竞争
• 由于组合逻辑和布线的延迟引起
a
c
b
a
b
t
c
t
clock
避免冒险和竞争与流水线
t
t
带寄存器的八位数据通路控制器的波形
ControlSwitch
in[7]
out[7]
CLOCK
out[7]
D Q[7]
ControlSwitch
in[0]
out[0]
CLOCK
out[0]
D Q[0]
带寄存器的八位数据通路控制器的Verilog描述
`define ON 1 ‘b 1 `define OFF 1 ‘b 0 wire ControlSwitch; wire clock wire [7:0] out, in;
ControlSwitch in[7]
out[7]
…... …...
in[0]
• 复杂数字系统的构成； • 基本电路和 Verilog 的对应关系； • 同步有限状态机在电路中的作用； • 时钟树与自动综合技术
数字逻辑电路的构成
- 组合逻辑：输出只是输入逻辑电平的函
数（有延时），与电路的原始状态无关。
• 时序逻辑：输出不只是输入的逻辑电
平的函数，还与电路所处的状态有关。
8 ‘ d 31
8‘d
t
out[15:0]
202
16 ‘ d
16‘ d
t
Sn 开
93
606
t 关
全局时钟网和平衡树结构
触发器1
全局时钟网络 触发器 图1 全局时钟网示意图
缓冲器
触发器n
图2 平衡树结构示意图
避免冒险和竞争
• 由于组合逻辑和布线的延迟引起
a
c
b
a
b
t
c
t
clock
避免冒险和竞争与流水线
t
t
带寄存器的八位数据通路控制器的波形
ControlSwitch
in[7]
out[7]
CLOCK
out[7]
D Q[7]
ControlSwitch
in[0]
out[0]
CLOCK
out[0]
D Q[0]
带寄存器的八位数据通路控制器的Verilog描述
`define ON 1 ‘b 1 `define OFF 1 ‘b 0 wire ControlSwitch; wire clock wire [7:0] out, in;
ControlSwitch in[7]
out[7]
…... …...
in[0]
数字系统设计与Verilog HDL-CPLD、FPGA基础知识PPT课件
器）和E2PROM（电擦写可编程只读存储器）； 特点：成本低，编程容易，适合于存储函数、数据和表格
（2） FPLA（Field Programmable Logic Array，现场可编程逻辑阵列） 在PROM基础上发展的一种PLD ❖ FPLA器件的特点： 由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成； 编程工艺采用熔丝开关，为一次性编程器件； 占用较大硅片面积； 逻辑函数输出以与-或表达式形式出现。
14
2.1 PLD的分类
二、按结构特点分类
▪ 目前常用的PLD都是从与或阵列和门阵列两类 基本结构发展而来
▪ 因此按结构特点PLD分为两大类： （1）阵列型的PLD器件：基本结构为与或阵 列； （2）单元型的PLD器件：基本结构为逻辑单 元
▪ SPLD（包括PROM、PLA、PAL、GAL）和 绝大多数CPLD都属于阵列型的PLD器件
任何组合逻辑函数均可化为“与或”表 达式，用“与门-或门”二级电路实现， 任何时序电路都是由组合电路加上存储 元件（触发器）构成的 。
从原理上说，与或阵列加上寄存器的结 构就可以实现任何数字逻辑电路。
PLD采用与或阵列加上寄存器、加上可灵 活配置的互连线的结构，即可实现任意
22
2.2 PLD的基本结构
20世纪80 年代初期
逻辑结构
与阵列固定、或 阵列可编程
与阵列、或阵列 均可编程
与阵列可编程、 或阵列固定，有
输出反馈单元
PAL型 在系统编程型
FPLA型
编程工艺 熔丝开关
熔丝开关
TTL型 CMOS型 ECL型
EEPROM
编程次数 输出电路 一次性 固定
一次性 固定
一次性 多次 一次性
固定
100次以 可编程 上
（2） FPLA（Field Programmable Logic Array，现场可编程逻辑阵列） 在PROM基础上发展的一种PLD ❖ FPLA器件的特点： 由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成； 编程工艺采用熔丝开关，为一次性编程器件； 占用较大硅片面积； 逻辑函数输出以与-或表达式形式出现。
14
2.1 PLD的分类
二、按结构特点分类
▪ 目前常用的PLD都是从与或阵列和门阵列两类 基本结构发展而来
▪ 因此按结构特点PLD分为两大类： （1）阵列型的PLD器件：基本结构为与或阵 列； （2）单元型的PLD器件：基本结构为逻辑单 元
▪ SPLD（包括PROM、PLA、PAL、GAL）和 绝大多数CPLD都属于阵列型的PLD器件
任何组合逻辑函数均可化为“与或”表 达式，用“与门-或门”二级电路实现， 任何时序电路都是由组合电路加上存储 元件（触发器）构成的 。
从原理上说，与或阵列加上寄存器的结 构就可以实现任何数字逻辑电路。
PLD采用与或阵列加上寄存器、加上可灵 活配置的互连线的结构，即可实现任意
22
2.2 PLD的基本结构
20世纪80 年代初期
逻辑结构
与阵列固定、或 阵列可编程
与阵列、或阵列 均可编程
与阵列可编程、 或阵列固定，有
输出反馈单元
PAL型 在系统编程型
FPLA型
编程工艺 熔丝开关
熔丝开关
TTL型 CMOS型 ECL型
EEPROM
编程次数 输出电路 一次性 固定
一次性 固定
一次性 多次 一次性
固定
100次以 可编程 上
《数字系统设计基础》课件
2
实现方法
组合逻辑电路的实现方法和技巧
3
逻辑设计流程
组合逻辑电路的设计流程和注意事项
时序逻辑电路设计
概念
时序逻辑电路的概念和应用
设计方法
时序逻辑电路的设计方法和技巧
逻辑设计流程
时序逻辑电路的设计流程和注意事项
Verilog HDL简介
概述
Verilog HDL的概述和应用领域
基本语法
Verilog HDL的基本语法和数据类 型
应用及实例
Verilog HDL的应用案例和实际项 目
FP基本原理
2 特点
FPGA的特点和优势
3 应用与未来发展趋势
FPGA的广泛应用和未来 发展趋势
总结
1 课程总结
对《数字系统设计基础》 课程的总结和回顾
2 学习收获
3 后续学习建议
学习《数字系统设计基础》 的收获和重要性
《数字系统设计基础》PPT课件
# 数字系统设计基础 PPT课件 大纲 课程介绍 课程目的、背景和教学形式 数字系统概述 数字系统的定义、分类和优点 基本逻辑门 逻辑门的定义、种类和实现 布尔代数与逻辑运算 布尔代数的定义、与、或、非运算的实现，逻辑函数及其基本性质
组合逻辑电路设计
1
概念
组合逻辑电路的概念和应用
对数字系统设计领域进一 步学习的建议和指导
VerilogHDL数字系统设计技巧精品PPT课件
module clk ( o_clk, i_clk, rst_n );
output o_clk； input i_clk； input rst_n； parameter N = N_even; // 设置偶数倍分频 parameter M = ?; // M="N/2-1" // bit_of_N: N_even的二进制位宽 reg [(bit_of_N - 1):0] cnt; // 计数器单元 reg o_clk；
cnt <= cnt + 1'b1; end end
恰恰分频：任意整数和小数分频的Verilog实现
// 生成上升沿时钟 // 0~(N/2-1) ↑ -> 1; (N/2)~(N-1) ↑ -> 0 always @ (posedge i_clk, negedge rst_n) begin
if (!rst_n) o_clk <= 0;
偶数分频器的实现非常简单，通过计数器计数 就完全可以实现。 如进行N倍偶数分频，就可以通过由待分频的 时钟触发计数器计数。 当计数器从0计数到N/2-1时，输出时钟进行翻 转，并给计数器一个复位信号，以使下一个时 钟从零开始计数。 以此循环，就可以实现任意的偶数分频。
恰恰分频：任意整数和小数分频的Verilog实现
恰恰分频：任意整数和小数分频的Verilog实现
always@(negedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin cnt2<=0; end else if(cnt2==2'b10) begin cnt2<=0; end else begin cnt2<=cnt2+1; end end
output o_clk； input i_clk； input rst_n； parameter N = N_even; // 设置偶数倍分频 parameter M = ?; // M="N/2-1" // bit_of_N: N_even的二进制位宽 reg [(bit_of_N - 1):0] cnt; // 计数器单元 reg o_clk；
cnt <= cnt + 1'b1; end end
恰恰分频：任意整数和小数分频的Verilog实现
// 生成上升沿时钟 // 0~(N/2-1) ↑ -> 1; (N/2)~(N-1) ↑ -> 0 always @ (posedge i_clk, negedge rst_n) begin
if (!rst_n) o_clk <= 0;
偶数分频器的实现非常简单，通过计数器计数 就完全可以实现。 如进行N倍偶数分频，就可以通过由待分频的 时钟触发计数器计数。 当计数器从0计数到N/2-1时，输出时钟进行翻 转，并给计数器一个复位信号，以使下一个时 钟从零开始计数。 以此循环，就可以实现任意的偶数分频。
恰恰分频：任意整数和小数分频的Verilog实现
恰恰分频：任意整数和小数分频的Verilog实现
always@(negedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin cnt2<=0; end else if(cnt2==2'b10) begin cnt2<=0; end else begin cnt2<=cnt2+1; end end
数学Verilog数字系统设计PPT课件
• 4’b x1 = 4’b xx_x1
• MS bit = 1 zero extension
• 4’b 1x = 4’b 00_1x
第17页/共57页
数字 (iii)
• 如果 size（位宽）没标出，默认值是32位，每个字母用8位
ASII码值表示
• 如果 radix（进制）没标出，默认为十进制
第7页/共57页
Example: Half Adder
A S
B C
A
S
Half
B
Adder C
module half_adder(S, C, A, B); output S, C; input A, B;
wire S, C, A, B;
assign S = A ^ B; assign C = A & B;
• Case sensitivity
• myid Myid
第13页/共57页
注释行
与C语言完全一致
• // The rest of the line is a comment
• /*
Multiple line comment */
• /*
Nesting /* comments */ do
第14页/共57页
1
2
3
E.g. Full Adder
Half Adder Half Adder
第3页/共57页
Module
in1 my_module in2
f
inN
out1 module my_module(out1, .., inN); output out1, .., outM;
out2 input in1, .., inN;
VerilogHDL语言基础教材教学课件
IEEE标准
1990年代，Verilog HDL成为IEEE标准，并不断发展完善。
新版本
随着数字电路设计的发展，Verilog HDL不断推出新版本，支持更高级的硬件描述和验证功能。
Verilog HDL的历史和发展
01
02
03
04
ASIC设计
在ASIC设计中，Verilog HDL用于描述数字电路的结构和行为。
FPGA设计
在FPGA设计中，Verilog HDL用于描述逻辑块、路由和IO接口等。
仿真验证
Verilog HDL还用于数字电路的仿真验证，通过模拟电路的行为来检测设计中的错误和缺陷。
学术研究
在数字电路和系统设计领域，Verilog HDL广泛应用于学术研究、教学和实验中。
Verilog HDL的应用领域
测试平台编写是指编写用于测试Verilog设计的测试平台代码。测试平台代码可以使用Verilog语言编写，并使用仿真测试平台进行测试和验证。
仿真测试平台
测试平台编写
仿真和测试平台
Verilog HDL设计实例
04
组合逻辑设计
总结词：组合逻辑设计是Verilog HDL中最基础的设计之一，主要用于实现逻辑函数。
02
数字系统设计涉及逻辑门、触发器、寄存器、组合逻辑、时序逻辑等基本数字逻辑单元的设计和组合，Verilog HDL语言能够方便地描述这些结构和行为。
03
数字系统广泛应用于计算机、通信、控制等领域，通过Verilog HDL语言可以实现高效、可靠的数字系统设计。
01
Verilog HDL的未来发展
发展趋势和挑战
THANKS
ASIC设计涉及逻辑设计、电路设计、物理实现等环节，Verilog HDL语言能够描述硬件结构和行为，为ASIC设计提供强大的支持。
1990年代，Verilog HDL成为IEEE标准，并不断发展完善。
新版本
随着数字电路设计的发展，Verilog HDL不断推出新版本，支持更高级的硬件描述和验证功能。
Verilog HDL的历史和发展
01
02
03
04
ASIC设计
在ASIC设计中，Verilog HDL用于描述数字电路的结构和行为。
FPGA设计
在FPGA设计中，Verilog HDL用于描述逻辑块、路由和IO接口等。
仿真验证
Verilog HDL还用于数字电路的仿真验证，通过模拟电路的行为来检测设计中的错误和缺陷。
学术研究
在数字电路和系统设计领域，Verilog HDL广泛应用于学术研究、教学和实验中。
Verilog HDL的应用领域
测试平台编写是指编写用于测试Verilog设计的测试平台代码。测试平台代码可以使用Verilog语言编写，并使用仿真测试平台进行测试和验证。
仿真测试平台
测试平台编写
仿真和测试平台
Verilog HDL设计实例
04
组合逻辑设计
总结词：组合逻辑设计是Verilog HDL中最基础的设计之一，主要用于实现逻辑函数。
02
数字系统设计涉及逻辑门、触发器、寄存器、组合逻辑、时序逻辑等基本数字逻辑单元的设计和组合，Verilog HDL语言能够方便地描述这些结构和行为。
03
数字系统广泛应用于计算机、通信、控制等领域，通过Verilog HDL语言可以实现高效、可靠的数字系统设计。
01
Verilog HDL的未来发展
发展趋势和挑战
THANKS
ASIC设计涉及逻辑设计、电路设计、物理实现等环节，Verilog HDL语言能够描述硬件结构和行为，为ASIC设计提供强大的支持。
Verilog HDL数字系统设计课件
11/0 0?/0
1?/0
第一章 先进先出数据缓冲器设计
1.1 FIFO工作原理
先进先出 数据管理
ph-----头指针(指向第一个数据） pe------尾指针(指向第一个空单元）
判缓冲器空条件: 当pe=ph--------空 判缓冲器满条件: 当pe+1=ph-----满
clk nreset fifo_in fifo_rd fifo_wr
12.试以调用库函数的方法设计一个容量为8K×24bit的 RAM。其双向数据线为D [0：23]，地址线为A[0：12]，写 信号为new （低电平有效）,读信号为nrd（低电平有效）。 13.设计一个位宽为8位、深度为8层的堆栈。 14.试按下图设计VerilogHDL模型。
1?/0 10/1 s4 01/1 1?/0 00/0 s3 10/1 01/0 s0 00/1 s1 00/0 00/0 s2 ?1/0 01/1
数字系统实例：
FIFO 异步串行通信接口 调制解调器 I2C接口的EEPROM读写器 CISC CPU RISC CPU
复习
例1：一个挂在总线上的8位寄存器。 module register0(db,nce,nwe) ; inout[7:0] db ; input nce,nwe; reg[7:0] q; assign db= (nce ||(!nwe))?8'bzzzzzzzz :q; always @(posedge nwe) begin if(nce==0) q<=db; end endmodule
//FIFO //Size:255Bytes module fifo(clk,nreset,pe,ph,fifo_in,fifo_out,fifo_wr,fifo_rd, busy,empty,full,state,wr,rd); input clk,nreset,fifo_wr,fifo_rd;// input[7:0] fifo_in; output[1:0] state; output empty,full,wr,rd,busy;// output[7:0] fifo_out,pe,ph; reg[1:0] state; reg[7:0] fifo_out; reg wr,rd,empty,full;//fifo write , read ,empty , full reg[7:0]pe,ph; //fifo point:P_end,P_head parameter write=1,read=2,stop=0;
《Verilog设计入门》PPT课件
精选PPT
18
3.1 组合电路的Verilog描述
3.1.2 4选1多路选择器及其case语句表述方式 6．赋值操作符 “<=”，只能用于顺序语句，不能用于assign引 导的并行语句
两种过程赋值操作： （1）阻塞式赋值“=”：语句执行结束，右侧表达式的值立刻赋给左侧 目标变量。
对于always引导的块语句中含有多条阻塞式赋值语句时，当执行某 一条语句时，其它语句不允许执行，被阻塞了，具有顺序执行的特点。
module h_adder (a,b,so,co); input a,b; output so,co; assign {co,so} = a + b;
endmodule
精选PPT
30
3.1 组合电路的Verilog描述
3.1.5 加法器及其Verilog描述 4. 算数操作符的使用
精选PPT
31
endmodule
精选PPT
34
3.1 组合电路的Verilog描述
3.1.5 加法器及其Verilog描述 5. 全加器描述----用半加器、或门模块及例化语句描述
精选PPT
35
3.1 组合电路的Verilog描述
3.1.5 加法器及其Verilog描述 5. 全加器描述----顶层文件及例化语句描述
3.1 组合电路的Verilog描述
3.1.5 加法器及其Verilog描述 5. 全加器描述----用半加器模块和或门模块描述
精选PPT
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3.1 组合电路的Verilog描述
3.1.5 加法器及其Verilog描述 5. 全加器描述----用半加器、或门模块及例化语句描述
module or2a(a,b,c); input a,b; output c; assign c = a | b;
精品课件-Verilog HDL数字系统设计-Verilog HDL数字系统设计-第3章
//结果为 1 //结果为-1 //结果为 1 //结果为不确定数'bxxxxx
第3章 数据类型和表达式
26
1) 算术操作结果的长度 算术表达式结果的长度由最长的操作数决定。在赋值语句 下，算术操作结果的长度由操作符左端的赋值目标的长度决定。 例如：
reg [0:3] Arc, Bar, Crt;
reg[3:0] Sat; reg [4:1] regc, regd; reg Cnt; reg [1:32] Kisp, Pisp, Lisp;
//定义了 1 个 4 位的名为 Sat 的 reg 型变量 //定义了 2 个 4 位的名为 regc 和 regd 的 reg 型变量 //定义了 1 个 1 位的 reg 类型变量 //定义了 3 个 32 位的 reg 型变量
24
第3章 数据类型和表达式
25
1．算术操作符 常用的算术操作符主要有5种：+ (加法操作符)，如c+d， +4；- (减法操作符)，如a-b，-a；* (乘法操作符)，如a*5； / (除法操作符)，如c/d；% (取模操作符)，如8%3的值是2。 例如：
7/4 -10%3 10%-3 'b10x1 + 'b0111
例如：
time Events [31:0];
//时间值数组
time CurrTime;
//CurrTime存储一个时间值
第3章 数据类型和表达式
20
4) real和realtime型变量
real是实数寄存器型变量；realtime是实数型时间寄存器，
一般用于在测试模块中存储仿真时间。它们的语法格式如下：
第3章 数据类型和表达式
VerilogHDL数字集成电路设计原理与应用教学课件ppt作者蔡觉平_第2章
第2章 Verilog HDL基础知识2.1 Verilog HDL的语言要素2.2 数据类型2.3 运算符2.4 模块本章小结12 Verilog HDL 语法来源于C 语言基本语法，其基本词法约定与C 语言类似。
程序的语言要素也称为词法，是由符号、数据类型、运算符和表达式构成的，其中符号包括空白符、注释符、标识符和转义标识符、关键字、数值等。
2.1 Verilog HDL 的语言要素2.1.1 空白符 空白符包括空格符(\b)、制表符(\t)、换行符和换页符。
空白符使代码看起来结构清晰，阅读起来更方便。
在编译和综合时，空白符被忽略。
Verilog HDL程序可以不分行，也可以加入空白符采用多行编写。
3 例2.1-1空白符使用示例。
initial begin a = 3'b100; b = 3'b010; end 相当于： initial begin a = 3'b100; b = 3'b010; end452.1.2 注释符 Verilog HDL语言中允许插入注释，标明程序代码功能、修改、版本等信息，以增强程序的可阅读性和帮助管理文档。
Verilog HDL中有两种形式的注释。
(1) 单行注释：单行注释以“//”开始，Verilog HDL忽略从此处到行尾的内容。
(2) 多行注释：多行注释以“/*”开始，到“*/”结束，Verilog HDL忽略其中的注释内容。
需要注意的是，多行注释不允许嵌套，但是单行注释可以嵌套在多行注释中。
例2.1-2 注释符使用示例。
单行注释： assign a=b & c; //单行注释 多行注释： assign a[3:0]=b[3:0]&c[3:0;]; /*注释行1 注释行2 */ 非法多行注释：/*注释内容 /*多行注释嵌套多行注释*/ 注释内容*/ 合法多行注释：/*注释内容 //多行注释嵌套单行注释*/672.1.3 标识符和转义标识符 在Verilog HDL中，标识符(Identifier)被用来命名信号名、模块名、参数名等，它可以是任意一组字母、数字、$符号和_(下划线)符号的组合。
相关主题
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❖分层次反映了事物的内在联系，可使大化小， 复杂变简单。
❖分层次可将一些细节隐藏起来，减少每次处理 事物的数量，便于控制事物复杂度。
❖分层次可以实现模块化的设计。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
பைடு நூலகம்
数字系统描述可按抽象层次不同划分为行为域、
结构域和物理域描述 ：
行为域
结构域
系统规格 算法行为 RTL
R2
D3 D2 D1 D0 右移
0 D3 D2 D1
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
门级网表与物理实现
由RTL级设计，通过综合工具，可综合出门级网 表。后续的布局布线设计工作一般可在设计人员 指导下由EDA工具完成。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
数字系统RTL级设计方法
布尔方程 传递函数
体系结 构框图
模块 框图 网表
逻辑门
晶体管 版图
单元 宏单元 模块
物理域
系统实现
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
现代数字系统设计方法
行为域
系统级人工设计
结构域
系统规格 算法行为 RTL
模块级人工设计
行为综合
RTL综合
网表
布尔方程
逻辑门
传递函数
晶体管
体系结 构框图
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
控制逻辑
控制逻辑：给数据路径提供一系列控制信号， 并由控制输入和数据路径的状态反馈决定控制 信号的产生。控制逻辑主要由触发器和逻辑门 组成。
数字系统的控制逻辑和数据路径目前一般使 用RTL级的硬件算法确定。数字系统设计中最 有挑战性和最富有创造性的工作是提出硬件算 法。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
功能块的算法模型
❖一般功能块总是完成一个确定的任务，可以采 用算法模型描述。
❖算法模型描述了模块硬件的行为，但不关心硬 件具体实现的方法。
❖算法模型是事件驱动的，不含严格的时钟信息， 类似于软件的程序，可用C、HDL语言描述。现 在也较多采用MATLAB，system C等语言描述。
❖ ASM图：与算法流程图形式上相似，但有本质区别。它 主要由三部分组成：状态框，判决框和条件框。
❖ 算法流程图与ASM图主要区别在操作驱动不同，算法流 程图是由事件驱动的操作，而ASM图的所有操作是由时 钟驱动的操作。
判决框。框内说明判 决条件，并有2个以 上输出。
0 R显示
条件框。框内说明对应电路功 能，并一定与判决框一个分支 相连。
左图所示算法流程图描述了一个计数器R，启 动一次就从0计数到10后结束，并同步显示。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
算法状态机（ASM）
❖ 算法流程图可以方便地描述数字系统的主要功能，但 不能描述同步时钟控制下，信号间的严格时序关系。 进一步发展的可用于定义数字系统硬件电路的方法， 称为算法状态机图(algorithmic state machine)，简 称ASM图。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
模块体系结构设计
由算法模型设计出模块及模块的体系结构，一般是将 模块划分出两个独立的部分，一是完成数据处理操作的 数字电路部分，称数据路径；其二是决定不同操作执行 顺序的控制电路部分，称控制逻辑。
状态反馈
控制逻辑 控制输入
控制信号
数据路径
输入数据
输出数据
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
第八讲 同步数字系统设计基础
❖ 数字系统的分层和分域描述 ❖ 现代数字系统设计方法 ❖ 数字系统RTL级设计方法 ❖ 本讲要点和实验要求
第八讲 同步数字系统设计基础
数字系统的描述
西安邮电学院通信工程系
数字系统常采用分层描述的方法，实践证明这是 行之有效的，因为：
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
算法流程图
算法流程图是从程序流程图发展出来的一种数字系统的功能描述 方法。它由启动框、结束框、工作框、判决框、条件框和有向线组 成，且各框由事件驱动并发工作，与程序流程图不同。
启动
R<=0
R<=R+1 R=10?
1 结束
工作框。框内说明 对应电路的功能
第八讲 同步数字系统设计基础
RTL级设计
西安邮电学院通信工程系
RTL（Register Transfer Level）级设计是模块设计 的主要工作。模块的功能可定义为一组寄存器及对寄存 器的操作，对寄存器的信号进行传输和处理称为寄存器 传输操作。数字系统设计是RTL级设计需满足三个条件：
1) 系统中有定义的一组寄存器。如 R1、R2。 2) 能对寄存器的数据进行操作。如 R1<- R1＋R2。 3) 系统中有信号控制操作的时序。如
数字系统设计模型： 一般数字系统的逻辑设计分为两 个独立的部分，数据路径和控制逻辑。
状态反馈
控制逻辑 控制输入
控制信号
数据路径
输入数据
输出数据
第八讲 同步数字系统设计基础
数据路径
西安邮电学院通信工程系
数据路径 是输入数据的处理单元，一般完成 数据的算数运算、逻辑运算和移位等操作，主 要由加法器、逻辑运算单元、译码器、多路选 择器、计数器、移位寄存器和数据寄存器等器 件构成。
模块 框图
单元映射、 布局、布线
物理域
单元（LE）
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
系统规格 （specification）
系统规格是数字系统设计的目标。包括：
❖数字系统功能的描述。常用功能框图、功能 说明、时序图、C语言及system C等描述。
❖I/O引脚的描述，如功能、排列、驱动能力、 电平等。
if(T1==1) R1<- R2；
第八讲 同步数字系统设计基础
RTL级设计
西安邮电学院通信工程系
一般常用的寄存器操作有： ❖ 将数据由一个寄存器传输到另一个寄存器的传输操作。 ❖ 对寄存器中的数据进行算数、逻辑操作。 ❖ 对寄存器中数据进行移位操作。 ❖ 对寄存器进行复位、置位操作。
R1 ＋ R3
❖定时的描述，如引脚建立保持时间、时序要 求、时钟频率等。
❖其它物理参数，如功耗、极限参数、封装等。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
系统体系结构设计（系统设计）
按系统规格的要求，人工设计系统的体系结构， 划分系统功能块，并给出系统的设计规范:
❖功能块、输入输出接口定义及时序要求。 ❖时钟域划分，跨时钟域异步电路划分。 ❖系统和功能块的复位处理方法。 ❖系统和功能块的测试方法。 ❖对复杂设计需建立系统的行为模型。
❖分层次可将一些细节隐藏起来，减少每次处理 事物的数量，便于控制事物复杂度。
❖分层次可以实现模块化的设计。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
பைடு நூலகம்
数字系统描述可按抽象层次不同划分为行为域、
结构域和物理域描述 ：
行为域
结构域
系统规格 算法行为 RTL
R2
D3 D2 D1 D0 右移
0 D3 D2 D1
第八讲 同步数字系统设计基础
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门级网表与物理实现
由RTL级设计，通过综合工具，可综合出门级网 表。后续的布局布线设计工作一般可在设计人员 指导下由EDA工具完成。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
数字系统RTL级设计方法
布尔方程 传递函数
体系结 构框图
模块 框图 网表
逻辑门
晶体管 版图
单元 宏单元 模块
物理域
系统实现
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
现代数字系统设计方法
行为域
系统级人工设计
结构域
系统规格 算法行为 RTL
模块级人工设计
行为综合
RTL综合
网表
布尔方程
逻辑门
传递函数
晶体管
体系结 构框图
第八讲 同步数字系统设计基础
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控制逻辑
控制逻辑：给数据路径提供一系列控制信号， 并由控制输入和数据路径的状态反馈决定控制 信号的产生。控制逻辑主要由触发器和逻辑门 组成。
数字系统的控制逻辑和数据路径目前一般使 用RTL级的硬件算法确定。数字系统设计中最 有挑战性和最富有创造性的工作是提出硬件算 法。
第八讲 同步数字系统设计基础
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功能块的算法模型
❖一般功能块总是完成一个确定的任务，可以采 用算法模型描述。
❖算法模型描述了模块硬件的行为，但不关心硬 件具体实现的方法。
❖算法模型是事件驱动的，不含严格的时钟信息， 类似于软件的程序，可用C、HDL语言描述。现 在也较多采用MATLAB，system C等语言描述。
❖ ASM图：与算法流程图形式上相似，但有本质区别。它 主要由三部分组成：状态框，判决框和条件框。
❖ 算法流程图与ASM图主要区别在操作驱动不同，算法流 程图是由事件驱动的操作，而ASM图的所有操作是由时 钟驱动的操作。
判决框。框内说明判 决条件，并有2个以 上输出。
0 R显示
条件框。框内说明对应电路功 能，并一定与判决框一个分支 相连。
左图所示算法流程图描述了一个计数器R，启 动一次就从0计数到10后结束，并同步显示。
第八讲 同步数字系统设计基础
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算法状态机（ASM）
❖ 算法流程图可以方便地描述数字系统的主要功能，但 不能描述同步时钟控制下，信号间的严格时序关系。 进一步发展的可用于定义数字系统硬件电路的方法， 称为算法状态机图(algorithmic state machine)，简 称ASM图。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
模块体系结构设计
由算法模型设计出模块及模块的体系结构，一般是将 模块划分出两个独立的部分，一是完成数据处理操作的 数字电路部分，称数据路径；其二是决定不同操作执行 顺序的控制电路部分，称控制逻辑。
状态反馈
控制逻辑 控制输入
控制信号
数据路径
输入数据
输出数据
第八讲 同步数字系统设计基础
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第八讲 同步数字系统设计基础
❖ 数字系统的分层和分域描述 ❖ 现代数字系统设计方法 ❖ 数字系统RTL级设计方法 ❖ 本讲要点和实验要求
第八讲 同步数字系统设计基础
数字系统的描述
西安邮电学院通信工程系
数字系统常采用分层描述的方法，实践证明这是 行之有效的，因为：
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
算法流程图
算法流程图是从程序流程图发展出来的一种数字系统的功能描述 方法。它由启动框、结束框、工作框、判决框、条件框和有向线组 成，且各框由事件驱动并发工作，与程序流程图不同。
启动
R<=0
R<=R+1 R=10?
1 结束
工作框。框内说明 对应电路的功能
第八讲 同步数字系统设计基础
RTL级设计
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RTL（Register Transfer Level）级设计是模块设计 的主要工作。模块的功能可定义为一组寄存器及对寄存 器的操作，对寄存器的信号进行传输和处理称为寄存器 传输操作。数字系统设计是RTL级设计需满足三个条件：
1) 系统中有定义的一组寄存器。如 R1、R2。 2) 能对寄存器的数据进行操作。如 R1<- R1＋R2。 3) 系统中有信号控制操作的时序。如
数字系统设计模型： 一般数字系统的逻辑设计分为两 个独立的部分，数据路径和控制逻辑。
状态反馈
控制逻辑 控制输入
控制信号
数据路径
输入数据
输出数据
第八讲 同步数字系统设计基础
数据路径
西安邮电学院通信工程系
数据路径 是输入数据的处理单元，一般完成 数据的算数运算、逻辑运算和移位等操作，主 要由加法器、逻辑运算单元、译码器、多路选 择器、计数器、移位寄存器和数据寄存器等器 件构成。
模块 框图
单元映射、 布局、布线
物理域
单元（LE）
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
系统规格 （specification）
系统规格是数字系统设计的目标。包括：
❖数字系统功能的描述。常用功能框图、功能 说明、时序图、C语言及system C等描述。
❖I/O引脚的描述，如功能、排列、驱动能力、 电平等。
if(T1==1) R1<- R2；
第八讲 同步数字系统设计基础
RTL级设计
西安邮电学院通信工程系
一般常用的寄存器操作有： ❖ 将数据由一个寄存器传输到另一个寄存器的传输操作。 ❖ 对寄存器中的数据进行算数、逻辑操作。 ❖ 对寄存器中数据进行移位操作。 ❖ 对寄存器进行复位、置位操作。
R1 ＋ R3
❖定时的描述，如引脚建立保持时间、时序要 求、时钟频率等。
❖其它物理参数，如功耗、极限参数、封装等。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
系统体系结构设计（系统设计）
按系统规格的要求，人工设计系统的体系结构， 划分系统功能块，并给出系统的设计规范:
❖功能块、输入输出接口定义及时序要求。 ❖时钟域划分，跨时钟域异步电路划分。 ❖系统和功能块的复位处理方法。 ❖系统和功能块的测试方法。 ❖对复杂设计需建立系统的行为模型。