数字系统设计DigitalSystemDesign

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Digital System Design

Example – Decoder (3 to 6)
input En A2 A1 A0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 X 0 0 0 0 1 1 1 1 X 0 0 1 1 0 0 1 1 X 0 1 0 1 0 1 0 1 outputs Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 module decoder3_6_case1(A,En,Y); input En; input [2:0] A; output [5:0] Y; reg [5:0] Y; always@(En or A) begin if(!En) Y = 6'b0; else case(A) 0:Y = 6'b000001; 1:Y = 6'b000010; 2:Y = 6'b000100; 3:Y = 6'b001000; 4:Y = 6'b010000; 5:Y = 6'b100000; default:Y = 6'b0; endcase end endmodule
00 01
11 10
0 0
0 0
0 1
1 1
1 1
1 1
0 0
1 0
Out = AD + BD + CD + ABC
Traditional design method
(optimization is done by hand) not suitable for HDL design
Example - Seven Segment Display

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

数字系统设计简介

1. 数字系统是同步系统，控制器的状态变化以及数据处理器中的寄存器传输操作，都是由系统时钟控制。 2. 所有输入信号都与时钟脉冲同步。如有异步信号，应转换为同步信号。 3. 时钟脉冲应同时到达所有存储元件的时钟脉冲输入端。时钟脉冲为周期性的电压方波，如图所示。数字系统中，时钟脉冲的有效边沿多为上升沿。
2. 设计步骤自上而下的设计方法就是从整体到局部，最后到细节。开始时，先要明确设计总体任务，确定设计目标，然后把总体任务分成一个个子任务，并分析子任务之间的关系，最后拟订各子任务的细节问题。它是从总体到局部的一种优化设计方法。
数字系统设计的三个阶段：总体设计阶段、逻辑设计阶段和电路设计阶段。
数字系统基本结构
Hale Waihona Puke 处理器的任务：实现数据的加工、传送和处理，完成由控制器发出的命令所规定的全部操作。所以，其系统是在外输入（X）和处理器反馈给控制器的状态变量（S）的共同作用下，并在控制器的控制下定序完成操作步骤。
数字系统完成一个计算任务是这样进行的，在一个计算步骤下，控制器发出控制信号给处理器，由处理器完成规定的操作，控制器接收外部输入信号和处理器反馈给控制器的状态变量，决定下一个计算步骤，这样逐步地完成一个计算任务。
11.2.2 数字系统的设计方法与设计步骤
1. 设计方法从理论上来讲，任何数字系统都可看成一个时序系统，因此应用时序电路的设计方法就可以设计出完整的数字系统。但当一个系统的输入输出变量和状态变量很多时，再用状态表和卡诺图等工具来描述一个大型时序系统就很困难了。早期的数字系统多采用试凑法设计，主要凭借设计者的经验。所设计出的电路，虽然不乏构思巧妙者，但交流和修改不方便，设计所花费的时间也较多。现在大多采用一种自上而下的模块化设计方法。自上而下也称自顶向下(top—down)，顶就是系统的功能，向下指的是将系统分割成若干功能模块。完整的意思是：从整个系统功能出发，按一定原则将系统分为若干子系统，再将每个子系统分为若干功能模块，再将每个模块分成若干较小的模块……直至分成许多基本模块实现。

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。

数字系统设计的流程

数字系统设计的流程数字系统设计的流程可以分为以下几个步骤：需求分析、系统设计、逻辑设计、电路设计、布线设计、验证与调试。

需求分析是数字系统设计的第一步。

在这个阶段，设计师需要与客户或用户进行沟通，了解他们对系统的需求和期望。

设计师需要明确系统的功能、性能、接口要求等，并将这些需求转化为设计的指导原则。

接下来是系统设计阶段。

在这个阶段，设计师需要确定系统的整体架构和组成部分。

设计师会绘制系统的框图，标识出各个模块之间的关系和数据流动。

同时，设计师还需要选择合适的处理器、存储器和外设等硬件组件，并设计系统的输入输出接口。

然后是逻辑设计阶段。

在这个阶段，设计师需要将系统的功能分解为更小的模块，并确定每个模块的功能和接口。

设计师会使用硬件描述语言（HDL）来描述系统的逻辑功能，并通过仿真工具进行验证。

在这个阶段，设计师需要考虑系统的时序要求、数据通路和控制信号等。

接着是电路设计阶段。

在这个阶段，设计师会将逻辑设计转化为实际的电路设计。

设计师会选择合适的逻辑门、触发器、寄存器等元件，并进行连线。

设计师还需要考虑电源和地线的布局、信号的传输和阻抗匹配等问题。

布线设计是数字系统设计的下一个阶段。

在这个阶段，设计师会将电路设计转化为实际的物理布局。

设计师需要考虑信号线的长度、走线的路径和布局的密度等因素，以确保信号的稳定性和电路的可靠性。

最后是验证与调试阶段。

在这个阶段，设计师会使用仿真工具和实际的硬件进行系统的验证和调试。

设计师需要检查系统的功能是否符合需求，并进行必要的修正和调整。

同时，设计师还需要测试系统的性能和稳定性，并进行必要的优化和改进。

数字系统设计的流程包括需求分析、系统设计、逻辑设计、电路设计、布线设计、验证与调试等多个阶段。

每个阶段都有其特定的任务和目标。

通过合理的流程和方法，设计师可以高效地完成数字系统的设计工作，并确保系统的功能和性能符合需求。

High-speed digital system design 高速数字系统设计

Chp2 Ideal Transmission Line Fundamentals
2.2 Transmission line parameters

The basic electrical characteristics that define a transmission line are its characteristic impedance and its propagation constant. What is the electromagnetic properties of the TL ?
–
As a signal travels down the TL, there will be a voltage difference between the signal path and current return path. The voltage difference establishes an electric field between the two conductors. (Gauss’s Law) – Current flowing through a conductor results in a magnetic field around that conductor. (Ampere’s law) – Therefore, output buffer injects a signal of voltage Vi and current Ii onto a TL, it will induce an E and H fields, respectively. – It implies that the signal is not simply traveling on the signal conductor of the TL, rather, it is traveling between the signal conductor and the reference plane in the form of an E and H fields.

VHDL数字系统设计

：
ASIC
数字 ASIC
混合 ASIC
模拟 ASIC
9
数字系统设计
3.
按制造方法划分：
按版图结构及制造方法分，有半定制(Semi-custom)和全定制(Full-custom)两种实现方法。
全定制方法是一种
基于晶体管级的，手工设计版图的制造方法。
ASIC设计方法
半定制法是一
种约束性设计方式，约束的目的是简化设计，缩短设计周期，降低设计成本，提高设计正确率。

PROM表达的PLD图阵列
A1 A0 或阵列（可编程）
A0 A 0 A1 A1 与阵列（固定）
21
F1
F0
数字系统设计
简单PLD原理
用PROM完成半加器逻辑阵列
A1 A0 或阵列（可编程）
F 0 A0 A1 A0A1 F1 A1A0
A1 A1 A0 A 0 与阵列（固定） F1 F0

什么是可编程逻辑器件? CPLD、FPGA的工作原理？数字系统的设计流程？
3
数字系统设计
数字系统(Digital System)——使用数字技术传输和处理信息的电子系统。数字系统的硬件构成主要是数字集成电路。
4
数字系统设计
1.1 数字集成电路的分类
1. 按生产工艺划分：
•54/74系列 •54H/74H系列
13
数字系统设计
1.2.1 PLD的分类
PLD 有多种分类方法，下面介绍几种常见的分类方法。
14
数字系统设计
1. 按不同的结构划分：
（ 1 ） PLD ：乘积项结构器件，其基本结构为与-或阵列。

数字系统设计方案方法

模块设计
对每个模块进行详细设计，包括模块的功能、接口、数据流等。
架构评审
对系统架构进行评审，确保其合理性和可扩展性。
硬件与软件设计
硬件选型
根据系统需求选择合适的硬件设备，包括处理器、存储设备、网络设备等。
软件设计
编写软件代码，实现系统的各项功能。
软硬件集成
将硬件和软件进行集成，确保其正常工作。
总结词
云计算数据中心通过集中管理和调度计算资源，提供高效、灵活和可扩展的计算服务。
详细描述
云计算数据中心设计需要考虑数据安全、高可用性和可扩展性等方面。通过虚拟化技术，实现资源池化和弹性伸缩。云计算数据中心为企业提供低成本、高性能的计算服务，促
进信息化发展。
感谢您的观看
THANKS
测试与验证
01
功能测试
对系统的各项功能进行测试，确保其符合需求规格书的要求。
安全测试
测试系统的安全性，包括数据加密、身份认证等。
03
02
性能测试
测试系统的性能指标，如响应时间、吞吐量等。
测试报告
将测试结果整理成测试报告，提出改进意见。
04
部署与维护
系统部署
将系统安装到实际运行环境中，并进行配置和调试。
测试工具
测试工具用于生成测试向量、分析测试结果和调试数字系统。常用的测试工具有JTAG调试器、In-Circuit Emulator和Logic Analyzer等。
04
数字系统设计最佳实践
系统可扩展性设计
总结词
系统可扩展性是指系统能够适应未来发展和变化的能力。
总结词
系统可扩展性设计应遵循模块化原则，将系统划分为可独立升级和替换的模块。

数字系统设计1

当汽车刹车时，所有尾灯同时以2Hz的频率闪烁；正常行驶时，所有尾灯灭。
输入信号有左、右转向、刹车、直行。
22
汽车尾灯控制框图
L3 L2 L1
R1 R2 R3
时钟产生精准时钟源
各周期信号产生
灯控处理
控制信号输入
输入信号处理
23
设计提示
方法1 使用74系列方法2 使用EDA设计
传统设计方法和 EDA方法的区别
传统设计方法: 自下而上（Bottom - up)的设计方法。
系统测试与性能分析完整系统构成
电路板设计固定功能元件
5
优点
对于大家有着良好的设计基础可以很方便的实现（电路板等有可能性）价格相对便宜
6
传统设计方法的局限性（缺点） 1. 设计依赖于手工和经验。 2. 设计依赖于现有的通用元器件。 3. 设计后期的仿真和调试。 4. 自下而上设计思想的局限。 5. 设计实现周期长，灵活性差，耗时耗力，效率低下。
30
与设计、系统逻辑综合、布局布线、性能仿真、器件编程等均由 EDA工具一体化完成。
11
课程设计题目
题目一: 数字频率计的设计题目二: 汽车尾灯的设计题目三: 数字钟的设计题目四: 防盗报警器的设计题目五: 交通灯控制器的设计
12
一、数字频率计
（1）任务要求
①测频范围在（0～9999）Hz的频率计。
7EDA设计方法设计 Nhomakorabea想不同：自上而下（Top - Down)的设计方法。自上而下是指将数字系统的整体逐步分解为
各个子系统和模块，若子系统规模较大，则还需将子系统进一步分解为更小的子系统和模快，层层分解，直至整个系统中各个子系统关系合理，并便于逻辑电路级的设计和实现为止。

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

数字系统设计

数字系统设计
•数字系统的基本组成
•传统的数字系统设计方法
•现代数字系统设计方法 •数字系统设计举例
一、数字电子系统的组成
数字电子系统：数字电路系统是指能够完成一系列较为复杂的逻辑操作的电路系统。通常数字电路系统是由许多组合逻辑和时序逻辑功能部件组成的，这些功能部件又可以由各种各样的SSI(小规模)、MSI(中规模)、 LSI(大规模)器件组成。对数字信息进行存储、传输、处理的电子系统
ASM图图
(A) 计数器复位
MDS
START A CR↑↓
NO
START？
START
YES
(B)
执行
B
OPR↑↓
再举一例：
4.ASM图的条件输出与MDS图条件输出相对应。
到MDS图
注：A态返回到A态时，有一条件输出：当X=0， CP=0时，RUN有效。
四、数字系统设计举例
例1：设计一汽车尾灯控制系统
自上而下设计方法的步骤如下： 1、明确待设计系统的逻辑功能； 2、拟定数字系统的总体方案； 3、逻辑划分，即把系统划分为控制器与受控电路两大部分，并规定其具体的逻辑要求，但不涉及具体的硬件电路，如下图所示：
ASM图、MDS图以及ASM图至MDS图的转换
ASM(Algorithmic State Machine)算法流程图，建立ASM图是数字系统的关键步骤，是描述数字系统控制算法的流程图。基本符号：状态框、判断框和条件输出框。它表面上与通常的软件流程图非常相似，但ASM 图表示事件的精确时间间隔序列，而一般的软件流程图没有时间的概念。（1）状态框数字系统控制序列的状态用“状态框”表示左上角：状态名称；右上角：状态编码(如果已编码)。框内标出此状态下实现的寄存器操作或输出；箭头表示在时钟的触发下进入状态A，在另一个时钟触发下离开状态A。

01数字系统设计概述共35页文档

每个阶段又分为综合、分析和验证三个步骤。
综合：
为设计对象创建一个新的表示或提供现成表示的细化。
（1）目标电路的预期功能一般是行为描述。因此，与综合器配合使用的HDL应包含行为描述的能力。
（2）综合的结果是一个设计方案。该设计方案必须满足预期功能和约束条件的要求。
分析：
对行为、结构和物理设计的正确性和完整性作评价，即对性能、体积大小功耗等作评价。
▪硬件模块级：硬件模块级的主要构件是由寄存器级单元构成的乘法器、加法器等硬件功能模块。
▪处理机级：处理机级是最高抽象层，主要构件有 CPU、存储器、I／O接口等。
用Y图表示自上而下的综合和设计过程
▪综合与分析：综合实际上是一个设计过程，是从行为域向结构域的转换或映射过程，分析则是与综合相反的过程。
验证/确认：
：验证结构表示和物理表示的等效关系。
通常验证的方法有模拟或称仿真、规则检查和形式验证三种。
仿真是从电路的描述抽象出模型，然后将外部激励信号或数据施加于该模型，并观察其响应，以判断是否实现了预定的功能息(如几何布局或拓扑约束等)
抽象层次一般由结构描述的粒度来区分，可以从低到高分为五级：晶体管级、门级、寄存器级、硬件模块级和处理机级。
▪晶体管级：晶体管级是最底层，主要构件是晶体管、电阻等。
▪门级：门级的主要构件是门、触发器等。 ▪寄存器级：寄存器级的主要构件是算术／逻辑单元、寄存器等。
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。

数字系统设计

7.1.3 1. 数字系统的总体方案数字系统的总体方案的优劣直接关系到整个数字系统的质量
与性能，需要根据系统的功能要求、使用要求及性能价格比周密思考后确定。下面通过两个具体实例进行说明。
【例7-1】某数字系统用于统计串行输入的n位二元序列X中 “1”的个数，试确定其系统方案。
解该数字系统的功能用软件实现最为方便，但此处仅讨论硬件实现问题。
st X
Q
CP2
位数计数器
CP
控制器
CLR
CP1
“ 1”数计数器
do ne
“ 1”数输出
图 7 - 3 “1”数统计系统结构框图
该系统的大致工作过程如下：系统加电时，系统处于等待状态，即当st=0时，系统不工作；当st=1时，系统启动工作，控制器输出CLR有效，将两个计数器清0，同时置输出状态信号done无效。
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
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。
2 . 数字系统的逻辑划分
由于数据子系统和控制子系统的功能不同，因此，数字系统的逻辑划分并不太困难。凡是有关存储、处理功能的部分，一律纳入数据子系统；凡是有关控制功能的部分，一律纳入控制子系统。逻辑划分后，就可以根据功能需要画出整个系统的结构框图。

【学习课件】第五讲：数字系统设计方法

BIN=[A7..A0]; BCD=[B7..B0];
EQUATIONS
WHEN (BIN>=0)&(BIN<=9) THEN BCD=BIN ;
系统
子功能块1
子功能块2 …… 子功能块n
逻辑块11 逻辑块12 …… 逻辑块1m 逻辑块21 ……
逻辑块111 ……
完整版ppt
3
⑵.编码
对同一个编码对象（输入、输出和内部状态），存在多种编码方案。由于编码方案决定其后逻辑设计的复杂程度，因此在设计时应考虑选择最佳编码方案的问题。
一个 n 位的二进制数，共有 2n 个编码，可以表示 2n 种可能性。设计中使用到的编码称为有效编码，未使用的编码称为无效编码。
编码效率记为：η η=有效编码数 / 2n
完整版ppt
4
编码效率η反映了器件资源的利用率，编码效率越高，意味着能用较少的资源去实现所要求的逻辑功能。
进行编码时应注意的问题： • 编码的位数（二进制位数）应尽量短。 • 区别对待I/O编码和内部状态编码： I/O 编码要便于和外界接口匹配，并不要求位数最短；内部状态编码位数应尽量短。在I/O编码和内部状态编码之间可以插入一个格式转换接口。 • 优化编码结构。 • 对无效编码进行适当的处理。
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5
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。
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6
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，

《数字系统设计》课件

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REPORTING
CATALOGUE
目录
• 数字系统概述 • 数字系统的设计基础 • 数字系统的设计方法 • 数字系统的实现 • 数字系统的测试与验证 • 数字系统的发展趋势与展望
PART 01
数字系统概述
数字系统的定义
总结词
随着技术的进步，数字系统的应用范围越来越广，数字化程度不断加深，从消费电子到工业制造，再到智慧城市，数字系统的应用已经无处不在。
云计算与边缘计算的融合
云计算提供了强大的数据处理能力，而边缘计算则能够降低延迟，提高响应速度，两者融合将进一步提升数字系统的性能。
03
人工智能与数字系统的结合
人工智能技术为数字系统带来了更智能化的决策能力，使得数字系统能
03
更广泛的应用领域
随着物联网、5G/6G等技术的发展，数字系统的应用领域将进一步扩展，从消费电子到工业制造，再到智慧城市，数字系统的应用将更加深入和广泛。
2023-2026
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合成设计法
总结词
利用现有标准单元电路，通过组合和配置来实现数字系统的设计。
详细描述
合成设计法是一种基于现有标准单元电路的方法，通过选择合适的标准单元电路，进行组合和配置，来实现数字系统的设计。这种方法需要熟悉各种标准单元电路的特性和功能，能够根据设计要求进行合理的选择和布局。
优化设计法
数字系统是指使用数字信号进行信息传输和处理的一类系统。
详细描述
数字系统采用离散的数字信号来表示和传输信息，这些数字信号可以表示二进制数、十进制数、十六进制数等不同进制数制。数字系统在计算机、通信、控制等领域广泛应用。