04 第四讲 数字系统的描述方法

VHDL程序的执行模式

仿真和综合是两个互补的过程
数字系统的仿真

如前所述，数字系统是通过信号值的变化，即事件（event）的 产生来描述的。 离散事件仿真的实质就是对事件的产生和排序进行管理
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对事件处理进行正确的排序 对事件所引起的计算操作进行正确的排序
数字系统的仿真
数字系统的仿真
数字系统的仿真
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模拟器通过硬件描述来仿真实际的物理系统 综合器通过硬件描述来生成可以生产的硬件定义
VHDL程序的执行模式
VHDL程序具有下列两种执行模式

仿真（Simulation）模式
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离散事件仿真 对离散事件的计算原理的理解是调试VHDL程序的关键

综合（Synthesis）模式
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硬件实现 最终的电路由NAND，NOR等基本逻辑单元组成

我们描述了下列关键属性，这些属性通用于数字系统不同抽象层 次
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事件（event），传输延迟（delay），并发（concurrency） 波形（waveform）和时序（timing） 信号值（signal values） 共享信号

硬件描述语言必须提供相关的架构来自然地描述一个硬件设计的 上述属性
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接口 功能：行为与结构
基本语言单元的特征

描述应支持不同层次的抽象级别
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语言中的基本描述单元必须通用于系统结构中的不同层次

基本描述单元应该支持被描述硬件的精确模拟和仿真
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基本描述单元应在描述功能属性的同时，还应描述时序属性

针对物理实现（ASIC，FPGA），基本描述单元应能支持生成对 应的硬件部分


时序（timing） 是同步电路和异步电路共有的属性
数字系统的特性：时序
数字系统的特性：时序
数字系统的特性：信号值

VHDL中采用逻辑值来表示信号的状态
数字系统的特性：信号值

多驱动源的共享信号取值

共享信号的值是如何确定的？
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通过仲裁协议确定 通过“线或”逻辑确定
数字系统的描述（建模）
第四讲 数字系统的描述方法
提纲


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系统的层次结构 对系统描述的要求 基本语言单元的特征 数字系统的特性：时序 数字系统的特性：信号值 数字系统的描述（建模） VHDL程序的执行模式 数字系统的仿真 数字系统的综合 总结
系统的层次结构
对系统描述的要求

系统的定义（From Webster’s Dictionary）： System: “An assemblage of objects united by some form of regular interaction or dependence” 数字系统有哪些方面需要我们描述
• VHDL程序本身对应了一个离散事件仿真模型
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该模型描述了信号上的事件发生 该模型包含了事件和计算时间步的管理机制 设计者只需要专注于VHDL描述的准确性
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更深入的细节→更多的事件→更好的仿真的精确性 减少细节→事件的数量减少→更快的仿真速度
数字系统的综合
总结

VHDL是用来描述数字系统的，因此VHDL的语言结构是针对数 字系统的一些关键属性的描述来设计的，这些属性包括：
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事件（events），延迟（delays）,并发性（concurrency） 时序（timing），波形（waveforms） 信号值和信号的多驱动问题
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VLSI部件和基本描述单元存在对应关系
基本语言单元的特征

硬件描述应支持设计重用（design re-use）和设计的可移植
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针对不同的芯片工艺进行移植 针对不同的价格和性能要求进行移植

数字系统的特性是我们选择基本描述单元的主要依据
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语言结构应该反映数字系统的特性的关键属性
数字系统的特性：时序

数字系统的本质是关于信号和信号取值 信号值在特定的时间点上发生变化，对应的语言描述中是事件 （event)，延迟（delay）, 并发（concurrency）


特定信号上发生的事件（event)按时间顺序排列起来就形成了波 形
数字系统的特性：时序
数字系统的特性：时序

时序（timing）：在一个特定的时间点上计算事件是否发生。 不同信号上的事件发生是相互关联的，典型的例子是时序电路中 的clock信号和其他信号的关系

对仿真时间管理的依据是事件的排序 仿真时间管理的两步模型：
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根据输入信号上的事件，计算当前时间步受到影响的全部模块的值； 对未来将要发生的事件进行整理和排序，将计算时间推进到下一时 间步。
数字系统的仿真
数字系统的仿真
VHDL程序描述了数字系统中信号事件的产生和事件之间的相互 关系 离散事件仿真器对事件序列的排序和事件步的推进进行管理 仿真的精确性和仿真所花费的时间之间的关系是：