高速数字系统设计-科大版

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高速数字电路设计

高速数字电路设计高速数字电路设计是现代电子工程领域的重要分支，它涉及到数字系统的设计和实现。

高速数字电路使用数字信号进行信息传输和处理，并且具有快速响应速度、高精度和低功耗的特点。

在数字通信、计算机网络、信息处理以及人工智能等领域中，高速数字电路都扮演着重要的角色。

在高速数字电路设计中，首先需要对数字电路的需求进行系统分析和规划。

这一步骤通常包括对数字信号处理要求的理解，对传输带宽和速度的确定，以及对系统的可靠性和稳定性的考虑。

根据这些要求，设计师可以选择合适的数字电路结构和器件。

接下来，设计师需要进行电路的逻辑设计。

这一步骤包括选择适当的逻辑门和触发器，以及确定电路的连接方式。

设计师需要保证电路的逻辑正确性和稳定性，并且尽可能地减少延迟和功耗。

在这个阶段，数字电路的性能和功能都被决定了。

在逻辑设计之后，接下来是电路的物理设计。

这一步骤包括布局和布线两个方面。

设计师需要将电路组件放置在适当的位置，以最大限度地减少相互干扰和延迟。

然后，设计师需要进行布线，将电路连接起来，并且尽可能地减少信号传输路径的长度和功耗。

最后，设计师需要对设计的电路进行仿真和验证。

这一步骤通常使用专业的电路仿真工具来进行，以模拟电路的性能和功能。

设计师可以通过仿真来验证电路的可靠性和稳定性，并对电路进行优化。

在高速数字电路设计中，设计师还需要注意一些常见的问题。

例如，时钟信号的同步和分配、噪声和干扰的抑制、功耗和散热控制等。

这些问题都会对电路的性能和可靠性产生影响，设计师需要采取相应的措施来解决这些问题。

总结起来，高速数字电路设计是一个综合性的任务，需要设计师具备深厚的电子学知识和技术。

通过合理的系统分析、逻辑设计、物理设计和仿真验证，设计师可以设计出满足系统要求的高速数字电路。

这些电路在现代技术领域中具有广泛的应用，对推动数字化进程和提升信息处理能力起到重要作用。

高速数字电路设计是现代电子工程领域的重要分支，它涉及到数字系统的设计和实现。

通信电子中的高速数字设计

通信电子中的高速数字设计随着科技的不断发展，通信电子设备得到了广泛的应用。

特别是在数字通信领域，高速数字设计已经成为了一种极为重要的技术。

在现代通信电子设备中，高速数字设计可以提高系统的工作速度，同时还可以保证数据的准确传输和处理，对于保证通信系统的稳定性和可靠性具有至关重要的作用。

高速数字设计是一项复杂的工作，它需要结合各种数字电路设计原理和信号处理技术，同时考虑到系统的稳定性、可靠性和性能因素。

高速数字电路的基本设计包括信号传输的传输线、时钟信号的分频、时序逻辑电路等，这些都是数字信号的主要组成部分。

首先，我们需要了解高速数字电路的基本原理。

在数字系统中，信号都是由二进制编码表示的，以0和1两种状态来表示信息的传递。

在传输过程中，数字信号会遭遇各种干扰，如噪声、电平变化、交叉耦合等，这些干扰都会影响到数字信号的传输质量，可能导致传输错误或系统崩溃。

因此，高速数字设计需要考虑信号传输质量的问题。

传输线是数字信号传输的主要通道，正确的传输线设计可以有效地提高数字信号的传输速度和抗干扰能力。

通常，高速数字传输线采用微带线或同轴线等结构，以减少传输线的传输延迟和信号失真。

同时，在信号输入端和输出端加上阻抗匹配电路，可以增强传输信号的稳定性和可靠性。

其次，高速数字设计还需要考虑时钟信号的分频。

时钟信号是数字系统中的一个重要部分，它控制着系统的时序，包括数据传输和处理等方面。

但是，在高速数字系统中，时钟信号的频率非常高，会导致系统时钟滞后或者同步信号不准确，因此，我们需要对时钟信号进行分频。

分频的原理是将时钟信号进行除法处理，使其变得更加精确和稳定。

这样可以有效地降低系统时钟信号的频率，减少同步误差和时钟偏差，提高系统运行的稳定性。

同时，通过分频的方式可以实现更高速的系统时钟率，提高系统的传输速度和处理能力。

最后，高速数字设计中还需要考虑时序逻辑电路的设计。

时序逻辑电路是指能够在特定的时序条件下执行特定操作的电路。

高速数字设计英文版pdf

高速数字设计英文版pdfTitle: High-Speed Digital Design English Version PDFIntroduction:In the rapidly advancing field of digital design, it is essential to stay updated with the latest techniques and practices. One valuable resource for acquiring knowledge in this area is the High-Speed Digital Design English Version PDF. This article aims to provide an accurate and comprehensive overview of the content covered in this PDF. The structure of the article will include an introduction, main body with six major points, and a conclusion.Main Body:1. Importance of High-Speed Digital Design:1.1 Understanding the significance of high-speed digital design in modern electronic systems.1.2 Exploring the challenges and complexities associated with high-speed digital design.1.3 Recognizing the impact of design choices on signal integrity, power consumption, and performance.2. Signal Integrity:2.1 Explaining the concept of signal integrity and its importance in high-speed digital design.2.2 Discussing techniques for minimizing signal degradation, such as impedance matching and controlled impedance routing.2.3 Highlighting the role of transmission lines, terminations, and decoupling capacitors in maintaining signal integrity.3. Power Distribution and Grounding:3.1 Addressing the significance of proper power distribution and grounding techniques.3.2 Exploring the impact of power and ground noise on signal quality.3.3 Discussing strategies for minimizing power and ground noise, including power plane design and decoupling capacitors.4. High-Speed PCB Layout:4.1 Describing the key considerations for high-speed PCB layout, including component placement and trace routing.4.2 Discussing the importance of controlled impedance traces and differential signaling.4.3 Exploring techniques for reducing crosstalk and electromagnetic interference (EMI).5. Clock and Timing:5.1 Understanding the challenges associated with clock and timing signals in high-speed digital design.5.2 Exploring techniques for minimizing clock skew and jitter.5.3 Discussing the use of clock distribution networks and phase-locked loops (PLLs) for precise timing control.6. EMI and EMC Considerations:6.1 Explaining the concepts of Electromagnetic Interference (EMI) and Electromagnetic Compatibility (EMC).6.2 Discussing the importance of shielding, grounding, and proper PCB layout for EMI/EMC compliance.6.3 Highlighting the role of EMI filters and ferrite beads in reducing electromagnetic emissions.Conclusion:In conclusion, the High-Speed Digital Design English Version PDF provides valuable insights into the complexities and challenges associated with high-speed digital design. It covers various aspects, including signal integrity, power distribution, PCB layout, clock and timing, and EMI/EMC considerations. By understanding and implementing the principles discussed in this PDF, engineers can enhance the performance, reliability, and efficiency of their high-speed digital designs.Note: Unfortunately, as an AI language model, I cannot provide the actual PDF. However, you can search for it using the title mentioned in this article.。

工程类西安电子科大数字电路与逻辑设计

调制解调：数字电路与逻辑设计在调制解调技术中发挥着重要作用，如QPSK、QAM等调制方式。
信道编码：数字电路与逻辑设计可以实现各种信道编码算法，如卷积码、LDPC码等，提高通信系统的可靠性。
数字信号的传输：数字电路与逻辑设计在数字信号的传输中起到关键作用，如基带传输、频带传输等。
数字电路与逻辑设计在工业控制系统中用于实现自动化控制，如电机控制、温度
团队合作：在课程设计和实验中，与同学合作，共同完成项目，提高团队协作能力。
教材：选择一本经典的教材，如《数字电路与逻辑设计》在线课程：利用中国大学MOOC、网易云课堂等平台学习相关课程
实践项目：参与数字电路设计相关的实践项目，如FPGA设计、嵌入式系统开发等
论坛交流：加入数字电路与逻辑设计相关的论坛，与其他学习者交流心得
实验内容：组合逻辑电路、时序逻辑电路、可编程逻辑器件等
实验方法：通过搭建电路、编写程序、测试与调试等步骤完成实验
数字钟的设计与实现抢答器的设计与实现交通信号灯的控制逻辑设计数字频率计的电路设计与实现
数字电路与逻辑设计的课程学习建议
掌握数字电路与逻辑设计的基本概念和原
数字电路与逻辑设计
汇报人：XX
目录
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数字电路与逻辑设计的基本概念
数字电路与逻辑设计的基本原理
数字电路与逻辑设计的实际应用
数字电路与逻辑设计的实验与实践
数字电路与逻辑设计的课程学习建议
添加章节标题
数字电路与逻辑设计的基本概念
数字电路的定义：处理离散信号的电路，通常以二进制形式表示数据。
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分类：根据逻辑功能的不同，逻辑门电路可以分为与门、或门、非门、与非门、或非门等类型。

高速数字系统设计-科大版

高速数字系统设计
2012-2-13
2012/2/13
中国科技大学快电子学安琪
1
授课老师
安琪
武杰
2012/2/13
中国科技大学快电子学安琪
2
联系方式
安琪：近代物理系快电子学实验室办公室：近代物理楼 506室电话： 3601925
Email： anqi@
课件：研究生教育/网络教学平台/课程展示/理学院
2012/2/13 中国科技大学快电子学安琪 26
Moore’s Law的描述
2012/2/13
中国科技大学快电子学安琪
27
Intel’s Tera-Scale Research Prepares for Tens, Hundreds of Cores
1012（万亿）
2012/2/13
中国科技大学快电子学安琪
2012/2/13
中国科技大学快电子学安琪
32
时序设计比较
数据来源：Mentor Graphics “Advanced Routing Techniques: The Importance of Timing”, April 2003
2012/2/13 中国科技大学快电子学安琪 33
信号电平发展趋势
李玉山李丽平等译，电子工业出版社，2004.10
Digital Signal Integrity: Modeling and Simulation with Interconnects & Packages
By Brian Young
Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance

一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计

现代电子技术Modern Electronics TechniqueMay 2024Vol. 47 No. 102024年5月15日第47卷第10期0 引言空间带电粒子中有许多成分[1⁃2]，主要包含来自外空间射向地球的银河宇宙射线、太阳高能粒子和地球磁场捕获的高能粒子。

其中银河宇宙射线来自于太阳系以外的宇宙射线，是被星际磁场加速到达地球空间的高能带电粒子，包含质子、α粒子、重离子等[3]；太阳上发生耀斑时会发射出高能带电粒子，主要成分是质子、少量的重离子[4]；地球磁场俘获大量的高能粒子，在地球周围形成6~7个地球半径的粒子辐射区，称为Van Allen 带，包含质子、电子、重离子等[5⁃7]。

在这些带电粒子中，单粒子效应首要关注的是重离子引起的电离[8⁃9]，本文所开展的试验就是模拟宇航空间环境。

单粒子效应是指单个高能粒子穿过集成电路灵敏区时，造成电路状态非正常改变的一种辐射效应，常见的单粒子效应包括单粒子锁定（Single⁃Event Latch up, SEL ）、单粒子翻转（Single⁃Event Upset, SEU ）、单粒子功能中断（Single⁃Event Functional Interrupt, SEFI ）等。

其中单粒子锁定是高能粒子入射到电路，导致电路产生异常突变电流，主要发生于CMOS 电路中[10]；单粒子翻转是高能粒子作用于集成电路，使得电路逻辑状态发生异常变化，一般发生在数据存储或指令相关电路中；单粒DOI ：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2024.10.011引用格式：魏亚峰，蒋伟，陈启明，等.一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计[J].现代电子技术，2024，47（10）：57⁃63.一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计魏亚峰1，蒋伟1，陈启明2，孙毅3，刘杰4，李曦1，张磊1（1.重庆吉芯科技有限公司，重庆 400060； 2.中国原子能科学研究院，北京 102400；3.北京卫星环境工程研究所，北京 102400；4.中国科学院兰州近代物理研究所，甘肃兰州 730000）摘要：时钟分配电路是电子系统中信号处理单元参考时钟及多路时钟分配的关键元器件，其跟随系统在宇宙空间中容易受宇宙射线辐照发生单粒子效应，进而影响系统性能指标甚至基本功能。

高速数字设计教程-Ch1_基本知识(2)

高速数字系统设计2006年2月22日第一章基本知识1-1 信号与信号完整性（Signal Integrity）1-2 频率与时间1-3 时间与距离1-4 -3dB频率与上升时间1-5 集总系统与分布系统1-6 四种电抗1-7 高速数字系统中的电阻、电容和电感元件中国科大快电子学安琪21-2 频率与时间电路元件的参数是对频率敏感的，在不同的频率范围内会表现出来不同的特性。

任何一种电参数，其数值仅在一定的频率范围内有效。

某参数f中国科大快电子学安琪3几种无源元件的阻抗中国科大快电子学安琪4考虑两个极端情况：1. 一个频率为10-12的正弦波波形变化一个周期需要3万年。

若输入到TTL电路，其输出电压每天变化不到1µV。

任何一个包含这样低频率的半导体器件的试验都会以失败而告终。

在这样长的时间尺度来看，集成电路只是一小块氧化硅。

2. 一个频率为1012的正弦波信号周期为1ps，数字电路根本无法响应这个频率的信号。

一些电路参数发生变化。

如地线的电阻由于趋肤效应由0.01Ω（1KHz）变为1Ω，并且还获得50Ω的感应电抗。

中国科大快电子学安琪5中国科大快电子学安琪6到底多高的频率会影响到高速数字电路的设计呢？要处理的高速数字信号的频带宽度是多少？中国科大快电子学安琪7频域'时域频域中的每个谐波分量都是时域中定义在t ＝－∞到＋∞上的正弦波。

将所有频率的正弦波在时域中的每个时间点上进行叠加，就可以得到时域中的波形。

任何一个时域的信号，都可以用一系列相应的正弦波叠加而成。

中国科大快电子学安琪8频域时域0次＋1次谐波0次＋1次＋3次谐波叠加比较：频域时域叠加比较：随着参与叠加的谐波分量的增加，方波的顶端更平滑，上升时间更短，越接近理想方波。

对于实际的波形，包含的谐波分量越多，或者说信号带宽越高，信号的上升时间就越小。

带宽的概念本身是一个近似。

中国科大快电子学安琪9要解决的问题考虑信号带宽的定义，或者说找到一个谐波分量，其上更高的谐波分量对信号的近似的影响可以忽略。

高速数字信号处理器中的算术逻辑单元设计与实现

高速数字信号处理器中的算术逻辑单元设计与实现在现代科技发展的浪潮下，高速数字信号处理器（DSP）成为了各个领域中不可或缺的重要组成部分。

而在DSP的核心中，算术逻辑单元（ALU）的设计与实现显得尤为重要。

本文将探讨高速DSP中ALU的设计与实现的关键问题。

首先，我们需要了解ALU的基本功能。

ALU是一种用于执行算术和逻辑运算的电路。

它通常包括加法器、减法器、乘法器、除法器以及逻辑门等。

在高速DSP中，ALU的设计要考虑到运算速度、功耗和面积等因素。

在高速DSP中，加法器是最基本且最常用的运算单元之一。

因此，设计一个高效的加法器对于DSP的性能至关重要。

常见的加法器有全加器、并行加法器和快速加法器等。

全加器是最基本的加法器，但其速度较慢。

并行加法器通过将加法操作划分为多个子操作来提高运算速度，但其面积较大。

快速加法器则是一种折衷方案，通过结合并行和串行的操作来提高运算速度和降低面积。

在高速DSP中，选择合适的加法器设计方案至关重要。

除了加法器之外，乘法器也是高速DSP中不可或缺的运算单元。

乘法器的设计复杂度较高，通常采用乘积累加器（MAC）实现。

MAC是一种将乘法和累加操作结合在一起的电路。

在设计乘法器时，需要考虑到乘法的精度、运算速度和功耗等因素。

同时，还需要采用合适的算法和优化技术，以提高乘法器的性能。

除了加法器和乘法器之外，逻辑门也是高速DSP中的重要组成部分。

逻辑门用于执行与、或、非等逻辑运算。

在高速DSP中，逻辑门的设计要考虑到运算速度和功耗等因素。

常见的逻辑门有与门、或门、非门和异或门等。

在设计逻辑门时，需要采用合适的逻辑电路结构和布线技术，以提高逻辑门的性能。

除了以上提到的基本运算单元，高速DSP中还需要考虑到数据通路、控制单元和存储单元等因素。

数据通路用于连接各个运算单元，传输数据和控制信号。

控制单元用于控制运算单元的工作状态和时序。

存储单元用于存储数据和指令。

在设计高速DSP时，需要合理设计这些单元之间的连接和交互方式，以提高DSP的整体性能。

数字系统原理与设计课程设计指导书

数字系统原理与设计课程设计指导书南通大学电子信息学院2017年 2月一、课程设计要求1.完成课程设计，包括设计仿真与验证。

学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体的方案设计，通过论证与选择，确定总体方案。

此后运用EDA软件对方案进行程序设计、仿真分析。

2.通过本次课程设计，提高系统设计能力，增强工程实践能力和创新能力。

3.撰写总结报告。

总结报告是学生对课程设计全过程的系统总结，学生应按规定格式撰写说明书，说明书主要内容有:1）设计技术报告封面封面上应写明设计题目、学生姓名、专业、年级、指导教师姓名。

设计题目明确、简短，能反映设计的实质性内容。

2）摘要及关键词应扼要叙述设计的主要内容和特点，文字简练。

3）目录目录一般不超过3级，章节应编写所在的页码。

4）正文正文应全面、准确的反映设计的指导思想、设计进行的主要工作和所取得的结论和成果，正文应包含一下内容:（1）前言。

应说明设计的目的、意义、市场需求；阐述本设计要解决的技术难题以及解决技术难点的指导思想和要预期达到的技术效果。

（2)设计方案论证。

应说明设计原理并进行方案的选择，说明为什么要选择该设计方案（包括各种方案的分析、比较），还应阐述所采用的方案特点和设计的技术路线。

（3）计算部分。

这部分在设计说明书中占有相当大的比例。

在说明书中要列出各零件的工作条件、给定的参数、计算公式以及各主要参数计算的详细步骤和计算结果，并说明根据此计算应选用什么元器件和零部件。

对需要使用的计算机的设计还应包括各种软件的设计。

（4）结构设计部分。

这也是设计说明书的重要组成部分，应包括机械结构的设计、各种电气控制线路设计以及功能电路设计、计算机控制部件装置的设计等，以及以上各种设计所绘制的图纸。

（5）结论。

概括本设计的情况和价值，分析其特色、优点、有何创新、性能达到何种水平，并应指出其中存在的问题和今后改进的方向，特别是对设计中遇到的重要问题要重点指出并加以研究。

（6）参考文献。

智慧教务系统青科大设计方案

智慧教务系统青科大设计方案设计方案：智慧教务系统青科大一、简介智慧教务系统青科大是针对青科大的教务管理需求而设计的一款全面智能化的教务系统。

通过利用先进的信息技术和人工智能技术，该系统将实现校内教务管理的全面信息化、智能化和便捷化，提升学校教务管理的效率和质量。

二、功能设计1. 学生信息管理：包括学生的基本信息、课程信息、成绩信息等的管理。

学生可以在系统中查询个人信息、选课、查看成绩等。

2. 课程管理：包括课程的开设、调整、教师分配等。

教务管理员可以通过系统管理课程信息，并及时发布课程调整信息。

3. 教师管理：包括教师的基本信息、授课安排等的管理。

教师可以在系统中查看个人信息、查看授课安排等。

4. 选课管理：学生可以通过系统在线选课、退课，系统将根据学生的选课情况自动排课。

5. 考试管理：包括学生考试信息的管理、考试安排的发布等。

教务管理员可以在系统中管理考试安排，学生可以在系统中查询考试安排、查看考试成绩。

6. 成绩管理：包括教师录入成绩、学生查询成绩等。

教师可以在系统中录入学生成绩，学生可以在系统中查询个人成绩。

7. 请假管理：学生可以通过系统在线请假，教务管理员可以及时审核和处理请假申请。

8. 毕业设计管理：包括学生选择导师、提交选题申请等的管理。

学生可以在系统中选择导师、提交选题申请，教务管理员可以审核并安排导师。

三、技术支持1. 数据管理：系统将建立完整的学生、教师、课程等数据库，方便信息管理和查询。

同时，系统将配置合适的数据备份和恢复机制，保证数据的安全性和可靠性。

2. 用户界面：系统将提供友好的用户界面，使得学生、教师和教务管理员能够轻松使用，便捷完成相关操作。

界面设计将遵循人机工程学原则，保证用户体验。

3. 信息交流：系统将提供消息推送、邮件通知等功能，及时向学生、教师和教务管理员发布相关通知和信息。

4. 自动化处理：系统将借助人工智能和自动化技术，实现部分教务管理流程的自动化处理。

高速数字设计-第1章基础知识讲解

2020年10月2日
湖南大学电气与信息工程学院
8
1.4 3dB与RMS频率
高速数字设计 High-Speed Digital Design
技术指标从模拟转换到数字时，通常要将频率响应转成上升时间
测量常用仪器为示波器。制造商通常给出的是： • 垂直放大器的最大工作带宽。 • 每个探头的最大工作带宽。
第1章基础知识
高速数字设计 High-Speed Digital Design
1.1 频率与时间 1.2 时间与距离 1.3 集总与分布系统 1.4 3dB与RMS频率 1.5 4种类型的电抗 1.6 普通电容 1.7 普通电感 1.8 衰减时间的估算 1.9 互容 1.10 互感
2020年10月2日
7
1.3 集总与分布系统
高速数字设计 High-Speed Digital Design
传导系统对于输入信号的响应，在很大程度上取决于系统的尺寸是否小于信号中最快的电气特性有效长度。
计算公式：
l=Tr/D
其中，l=上升沿有效长度，in Tr＝上升时间，ps D＝延迟，ps/in
实例：p6
问：气特性有效长度反映什么？在传输线上占用的距离
湖南大学电气与信息工程学院
6
1.2 时间与距离
高速数字设计 High-Speed Digital Design
重要结论 • 传播延迟与介电常数的平方根成正比。 • 信号在空气中的传播延迟是85ps/in • 印刷电路板外层走线的传播速度比内层走线要快。
2020年10月2日
湖南大学电气与信息工程学院
2020年10月2日
湖南大学电气与信息工程学院
4
1.1 频率与时间
高速数字设计 High-Speed Digital Design

高速数字设计与信号完整性总论PPT课件

• 理论上没有最高总线频率的限制。 • 总线频率取决于数据信号和锁存信号的延时差
（skew）。 • 非理想因素会产生不必要的偏移，从而限制了
源同步总线频率。 • 源同步总线中飞行时间不再是相关因素。 • 保证锁存信号与数据信号的一致是比较好的，
这样会减少两者之间的偏移。
22
Noise
• 单个网络的信号质量 • 串扰 • 电地之间电压跌落 • 来自系统或元件的电磁干扰
这限制了共用时钟总线的工作频率
18
源同步
19
Tsetup
T se m a tir u n ( g T c ps o t r T fo l stb t r T e d o ) e - ( b T c le a d o y a T ftl d a t) - a T ste atup
T vb T coda t(a T costr oT b dee)lay
4
电子产品的趋势
• 时钟频率 • 边沿速率 • 密度 • 电源 • 功耗 • 上市周期
5
每两年翻一番！！
时钟频率
晶体管特征尺寸的持续减小，上升边必然持续减小且时钟频率必须持续提高
6
边沿速率
芯片制造厂总是采用更低成本，更好特性的生产过程，故生产出来的芯片上升沿更短
7
高速概念
• 高速信号频率大于50MHz 上升沿Tr< 6Tpd
• 高速设计
经验法则：对于上升沿为1ns的信号，PCB线长超过1inch，就必须考虑传输线效应，采用高速设计理念
8
9
• 转折频率
信号带宽
10
HW 工程师掌握高速设计的必要性
高速设计与硬件研发的每一个环节相关
• 系统工程师

一种高速TLB的设计与实现

１引言段、页式存储模式是多任务操作系统常用的内存管理机制，为适应操作系统多任务切换要求，通用微处理器设计中需要支持虚拟地址寻址和物理地址寻址两种寻址方式。

执行部件发出的虚拟地址需要经过段管理部件转换后形成线性地址。

线性地址对应的页目录、页表一般存储在外部存储器中，ＣＰＵ需要两次访问外存才能查找到线性地址对应页的物理地址，这会严重降低处理器的取指或者操作数据的效率。

ＴＬＢ（ＴｒａｎｓｌａｔｅＬｏｏｋ－ａｓｉｄｅＢｕｆｆｅｒ）是加速线性地址向物理地址转换的缓冲器，即缓存最近使用过的页的物理地址。

使用线性地址和ＴＬＢ中的存储项进行比较，如果有相同行，则不需要访问外存，而直接获得目标页的物理地址，可以大大提高地址转换速度。

由于微处理器大部分的指令、数据操作地址均需进行地址转换，ＴＬＢ的工作速度会直接影响到整个ＣＰＵ的性能。

为此本文根据ＪＸ微处理器的研制要求，设计了一种高速ＴＬＢ结构，并且全定制设计了存储阵列、敏感放大等关键电路单元。

仿真结果和应用于ＪＸ微处理器流片测试结果表明，采用此种ＴＬＢ结构，能够显著提高ＣＰＵ的执行效率。

２高速ＴＬＢ的结构设计设计的ＴＬＢ由ＣＡＭ存储阵列、敏感放大和命中逻辑、ＳＲＡＭ存储阵列以及替换策略逻辑构成，结构如图１所示。

ＣＡＭ存储阵列存储了需要进行地址转化的３２项线性地址，以及行有效位。

敏感放大和命中逻辑对ＣＡＭ比较输出信号进行放大调理形成ＳＲＡＭ输出选择信号和命中信号。

ＳＲＡＭ存储阵列保存了３２项物理地址和页属性位，每行物理地址对应于ＣＡＭ中同行的线性地址，页属性位包括页大小、页ＣＡＣＨＥ使能、奇偶校验位等。

替换策略采用了伪ＬＲＵ方法实现，使用３２个一位计数器，近期使用过则置１否则为０，替换为０的最低行，全访问后则自动清除所有计数器至初始态。

当ＴＬＢ收到线性地址后，即和ＣＡＭ体内的３２个数据项进行比较，形成３２位的命中信号Ｒ，只有命中行为１。

使用此Ｒ基金项目：国家自然科学基金（ｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａｕｎｄｅｒＧｒａｎｔＮｏ．６０４７３０７９）。

CPLD概述

林容益台湾全华科技图书股份有限公司
CPLD概述
第一章电子系统设计概论
CPLD概述
第一章电子系统设计概论
1.1 数字系统与数字器件 1.2 构建数字系统的途径 1.3 可编程逻辑器件 1.4 EDA技术
CPLD概述
1.1 数字系统与数字器件
• 数字电子系统：简称为数字系统。是可以完成某种（或多种）特定的、功能不单一的一种电子系统。
CPLD概述
数字器件
• 数字器件是构成数字系统的“元素”或“细胞”； • 标准TTL或CMOS数字集成电路（如各种门电路、计数器、寄存器、译码器等）是数
字器件。最简单的逻辑器件是与门、或门、非门（74LS00，74LS04等），在此基础上可实现复杂的时序和组合逻辑功能。 • 近来人们已经能够在单一半导体芯片上设计、制造百万个以上的晶体管，这种高集成度的IC芯片已经开始具备以往一个数字系统的全部特性与功能，这就产生了现代所谓的“单片系统”（SOC，即System On a Chip）和SOPC 。此时数字器件已发展成为数字系统 • 由于单片系统集成度高、功耗低、功能强大，工作可靠，正受到人们越来越大的重视,今后必将会有光明的发展前景。
CPLD概述
基本教学内容
第1章电子系统设计概论第2章可编程逻辑器件（SPLD）基础第3章 CPLD与FPGA基础第4章 ALTERA的CPLD与FPGA器件第5章 AHDL语言第6章 CPLD/FPGA的配置与下载
CPLD概述
考试方法
半开卷闭卷成绩＝考试（60％）＋（实验＋平时）40％
CPLD概述
使用CPU、MCU及DSP的系统
CPLD概述
使用CPU、MCU及DSP构建数字系统(续) • 特点：

高速数字模块的层次化物理实现技术

高速数字模块的层次化物理实现技术陈宇轩;梁利平【摘要】针对深亚微米工艺下后端实现中布线资源紧缺这一难点提出了一种改进的层次化流程.通过考虑子电路在上层电路中的连接关系调整子电路的高宽从而优化布线资源并降低延迟.采用量化分析的方法一次性得到可实现的物理设计,避免了多次迭代尝试浪费的时间.以DSP中大规模多路选择器在SMIC 65nm low leakage工艺下的物理设计为例介绍了本文提出的优化方案,并且对比可得本文提出的方法能减少20％的面积和35％的延迟.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)010【总页数】6页(P115-120)【关键词】版图;延迟;高速;面积;布局【作者】陈宇轩;梁利平【作者单位】中国科学院大学微电子研究所,北京 100029;中国科学院大学微电子研究所,北京 100029【正文语种】中文【中图分类】TN431.2随着集成电路技术的发展,芯片的规模以及工作频率在不断提高,并且使得芯片物理设计所用的EDA工具面临更多的挑战,其中以Routing congestion(布线堵塞)最为突出.关于后端设计的流程和挑战已有不少研究[1-4].随着工艺节点的缩小,标准单元的长宽和金属线的间距(pitch)按相似的比例缩小,因此标准单元的面积缩小的倍数约等于金属线间距缩小的倍数的平方.随着工艺尺寸的缩小,单位面积内的单元增加的速度将远大于布线资源增加的速度,同时工艺尺寸的缩小也会使一些原来可以忽略的效应变得更加明显,需要考虑更多约束[5-8],导致深亚微米工艺中布线将消耗更多的布线资源,因此很可能出现布线资源不够用即布线堵塞现象.传统的物理设计流程将所有的网表文件同时读入并进行布局布线等操作,本文将此种方式称为扁平化物理设计,以区分于后文所说的层次化物理设计.随着电路规模的增大,电路的连接复杂度将显著增加.对于超大规模电路,使用扁平化物理设计会导致需要的计算量和内储资源显著增加,受限于当前计算机运算的运算速度和内存,进行物理设计所需的时间同样将显著增加,并且通常无法获得较优化的布局布线结果,需要占用更多的面积来进行布线,导致面积利用率(逻辑门所占的面积/总面积)下降.本文以一个10万门的模块和一个100万门的模块为范例进行比较,比较结果如表1所示.表1 10万门和100万门对比Tab．1 Blocks comparison between 1 million gates and 10 million gates模块规模连线总数物理设计耗时面积利用率/%10万门189 1264 h79100万门2 100 9593 d61因此目前对于大规模电路,一般采用层次化后端流程:将复杂电路划分成多个子模块,对各自模块分别进行物理设计,上层电路进行物理设计时调用已完成的下层模块.层次化物理设计的优点是可以避免物理设计过程中载入大规模电路,从而可在较短的时间内得到一个较优化的布局布线结果.此外将某些逻辑关系复杂并且不会再改动的模块划分为子模块也能避免由于其他电路的改动而要重新对整个电路进行物理设计,节省时间.但是如何划分子模块以及如何设定子模块的长、宽和端口位置目前没有具体的理论和分析.本文在一般层次化设计流程的基础上进行定量理论分析,将进行层次化物理设计模块在上层电路中相关的连接关系加入考虑范围,通过公式计算出子模块的最小长宽需求和端口位置.避免了靠感觉选定模块参数然后反复尝试造成的设计时间浪费.本文将以上千位宽的多路选择器为例描述新流程并将与传统流程进行对比.1 优化层次化物理设计1.1 自动化工具的缺陷对于层次化设计,EDA工具并不会对子模块的高宽以及端口位置提出有意义的推荐设置.目前也没有公认的流程来确定子模块的高宽等约束,因此传统流程中子模块的高宽全凭设计者个人的经验和感觉.以多位选择器为例,其最小的子模块面积约为1 201 μm2,EDA工具自动优化的结果是其高宽比将趋于1∶1,即被设定为约34.6 μm.其纵向端口以及从其上穿过的其他子模块的纵向端口连线总共有348,由于总共只有8层金属,因此需要禁止子模块使用第7层及以上的金属层,同时子模块内部走线需要用到第2层金属,因此其穿过模块的纵向连线只能使用第6层金属和第4层金属.假设第4层和第6层的布线资源全用来连接端口连线,由于每层金属的pitch为0.2 μm,34.6 μm的宽度最多通过346个端口连线.因此EDA工具自动给出的布局方案将无法完成布线.传统流程中,若物理设计无法实现则会增大面积再试一遍,直到成功为止.本文提出的优化方案能提供一个具体的流程量化分析所需高宽的最小值,避免盲目增加模块面积并且节约多次迭代所需要的时间.在电路设计过程中某些特定的逻辑模块会被重复使用多次,这种情况下可以将被多次调用的逻辑模块作为子模块进行物理设计以节约整体物理设计的耗时,并且如果这些子模块互相之间也有复杂的连接关系还可以将包含这些复杂的连接关系的多个模块整体再视为一个新的子模块,使得EDA工具可以单独优化这一特殊复杂模块的延迟和面积,避免其他部分电路改动对此复杂模块的影响.1.2 计算子模块高宽为了方便说明,本文将包含有其他子模块的子模块称为中层子模块,而不包含子模块的子模块称为底层子模块.通常底层子模块和中层子模块会定下禁止第X层金属布线的规则以给顶层连线预留布线资源.如果制作底层子模块时没有考虑其被调用时的连接关系则会出现如下问题:假设底层子模块A,B并排放置,且都与右侧单元有连接关系.如果A的高度刚好被右侧的端口全部占满,则子模块B的连接必须绕开子模块A布线,若B的端口数量为n,则A,B间的间距最小需要n×pitch,其中pitch为金属线最小宽度+最小间距.此种情况下A,B之间的空间将无法放置其他逻辑单元从而导致面积被浪费.假设某些逻辑单元被放在A,B之间,则由于连线长度对延迟的影响,这些逻辑单元所在的路径延迟将显著增大,无法满足时序要求.此外B模块中绕过A的布线还会消耗额外的布线资源,如图1所示.假定模块A,B的面积分别为A1,A2,则其实际需占用的最小面积Area如式(1)所示:Area=A1+A2+n×(w+s)×Hb(1)其中n为A左侧的端口连线数量,w为金属层布线的宽度,s为金属层布线的间距,Hb为模块B的高度.图1 未优化宽高的子模块接口走线Fig.1 Routing wires for blocks before optimization理论上模块A和B所需占用的最小面积Area_m则如式(2)所示:Area_m=A1+A2(2)因此由式(1)和式 (2)可知未优化的模块布局导致的面积浪费Area_d如式(3)所示:Area_d=n×(p+s)×Hb(3)为避免资源的浪费则必须将子模块的高扩大,宽缩小,在保持面积不变的同时使得子模块A占用的面积内有足够的布线资源以供模块B的走线布线.从而使B模块的连线不需要绕过A模块布线,如图2所示.图2 理论最优模块布局和走线Fig.2 Floorplan & routing with min area为了使模块A的面积内有足够的布线资源则必须使得模块的高宽满足一定约束.由于横向布线资源与纵向布线资源互相独立,以下推导过程只考虑横向布线资源.对于某特定高度Hx其所包含的横向布线Rx资源如式(4)所示:(4)其中,pl代表第l层金属的走线宽度,sl代表第l层金属的间距.本算法的约束为布线资源大于横向连线数量,即式(5)所示:Rx>Nx(5)其中Rx为布线资源,Nx为横向连线数量.假设横向排列的底层模块有m个,第m个模块的横向端口数量为nm,则横向连线数量如式(6)所示:(6)将式(6)和式(4)代入式(5)可得最小高度Hmin如式(7)所示:∑⎣(7)其中⎣x」代表x向下取整．同时同金属层的各个横向端口的纵向座标不能重复,以保证每一个横向连线不会和其他横向连线重叠.以上规则虽然能使各个子模块需要占用的面积达到理论上的最优,但是每个子模块的端口位置必须根据实际布局改动,因此实际应用中非常费时.考虑到实际应用中很有可能模块A,B是相同子模块的多次例化,即模块A和模块B 完全相同,可以对图2 的布线方案作出一定调整,如图3 所示．图3 调整后的布局布线图Fig.3 Adjusted floorplan and routing此布局下各横向端口可以先向下平移至右侧模块下一个端口之上空出的位置再横向布线.由于各个端口平移不会互相重叠,因此此平移每个模块只会占用一个金属线宽的间距.要实现此种布线必须使得最右侧的模块A的任意端口到下一个端口的横向空间内有足够的布线资源供左侧m个相同模块的横向端口布线.由于左侧所有模块都和模块A相同,因此对于任意端口到下一个端口的横向空间内其左侧各个模块都有且仅有一个端口,且位置和模块A的端口位置相同,即左侧端口数量为m,结合公式(6)可得2端口最小间距Dmin需要满足式(8):∑⎣(8)以上即是关于横向布线资源的分析.同理对于纵向布线资源我们也可同样以用式(6)和式(8)来计算,只需要将横向变为纵向,高度变成宽度即可.1.3 优化跨模块连线当多单个子模块的宽高较大或者多个子模块放置在一起时,虽然子模块本身没有禁止布线从其中穿过但是依旧会因为其他约束造成布线无法从其中穿过.原因之一是当连线长度增加时其负载也会增加,从而造成延迟时间翻转时间变长,最终超过约束中最大限制造成违例,通常工具将试图插入缓冲器来解决这一违例，但是由于已完成的子模块内无法再放置新的单元，因而导致这一违例无法修复.此外连线过长还会产生串扰,天线效应等问题,通常工具都会试图通过插入缓冲器来解决,但同样也无法实现.因此连线只能绕过此子模块.如图4所示,B是一个宽度W较大的子模块,线n1从B左侧的A连到B右侧的C,由于n1连线较长需要插入缓冲器,由于缓冲器只能放在B以外的位置, n1只能绕过B布线而不能穿过B.图4 未优化的布局布线示意图Fig.4 Diagram of large blocks before optimization因此占用面积较大的子模块会禁止连线从其内部穿过,导致其占用面积上的很大一部分的布线资源被浪费.并且当需要从子模块B上穿过的线比较多时,这些连线会集中在模块B边缘,导致子模块B附近的布线资源过于拥堵,影响后端实现.为了避免布线资源的浪费我们可以在对B模块进行物理设计时预先留出对应的通道接口(feedthrough ports),将需要穿过子模块B的线全部设计成子模块B内部的连线.这样在使用子模块B的时候只需要将线连到子模块B的接口即可,如图5所示.图5中虚线方框为制作B模块时预先加入的缓冲器,因此A和C直接接到B模块的通道接口并不会由于连线过长产生违例.图5 改进后的布局布线示意图Fig.5 Diagram of improved routing实际应用中有可能类似于n1的需要穿过子模块B的连线太多无法全部设置为通道.这种情况下我们可以在对模块B进行物理设计时将其边框“挖除”一些空位来让工具在上层进行物理设计时可以在被挖出的空间内插入所需的缓冲器.2 对比结果本文中以多核DSP中的多位选择器模块为例,此多位选择器结构图如图6所示．32个如图所示的单数据位选择器构成一个通道,整个多路选择器由8个通道构成,各通道共用相同的70个32位的数据输入,但是每个通道有各自独立的选择信号.此模块总共有70×32+(7+6+5+5+3+5) ×32×8=10 176个端口,其规模为10万逻辑门数量级.由于其内部有较多的连线,若直接按传统层次化流程,按经验设定70%的面积利用率则会因为布线资源问题无法完成物理设计.通过不断尝试增加面积的多次迭代尝试最终能完成此模块的物理设计,其面积为0.436 mm2,延迟为2.3 ns. 图6 多位选择器中单数据位模块示意图Fig.6 Diagram of 1 bit block from the multi-mux block若采用本文提出的方案,将单数据位模块定为底层模块,并且将数据输出规划为横向连线,数据输入规划为纵向连线,则每个通道内单数据位模块只能横向排列以避免不同数据位的输入纵向连线过于密集.而各通道将按纵向排列从而使得不同通道内同数据位的子模块可以共用同一个纵向连线作为数据输入,最大化减少同一个逻辑线的分叉连线,节约布线资源.此种布局规划下对于底层子模块其纵向连线为348个,其横向连线为80个,纵向可用金属为第2,4两层,横向可用金属为第3层,各金属层布线宽度为0.1 μm,间距也为0.1 μm.将纵向和横向数据分别代入公式(7)可算出其最小宽度需要至少34.8 μm,其最小高度需要至少16 μm,考虑到最小高宽所得到的面积小于模块面积,因此本文将高宽增加相同的余量,使其面积利用率达到70%,即高宽各增加约10 μm,最终宽为46.6 μm,高为25.2 μm.考虑到底层子模块连线的长度较长,在对上层子模块进行物理设计时,调用底层模块的同时规模其摆放位置,使每个子模块与其他子模块相隔一个缓冲器的距离.同时考虑到纵向连线较长,修改上层子模块的网表文件,为所有的纵向端口连线手动增加一个缓冲器并约束其位置于整个子模块中间.由于各个子模块的规模很小,工具可以对每个子模块进行较好的优化处理,最终完成的物理设计会比传统流程有很大的提高.新流程得到的物理设计面积减少约0.357 mm2,速度减少为1.5 ns.本文提出的优化方案得到面积约是优化前的80%,延迟约是优化前的65%.优化后的版图如图7所示(为了便于查看,已将连线隐藏).理论上通过式(3)得出的可节约的面积约为0.028 67 mm2,而实际上节约的面积为0.079mm2.多节约的面积是因为本模块的规模和复杂度过大,物理设计工具无法获得最优解.由于传统流程无法达到最优解,导致传统流程所得延迟同样较差,此外传统流程造成的多余面积会造成连线长度增加,导致连线负载增加,最终导致传统流程的延迟与本文提出的流程相差35%.图7 采用本文提出的方法优化的版图(隐藏信号线)Fig.7 Layout of mux block using proposed flow (signal wire hidden)测试版上的芯片照片如图8所示.图8 实际芯片以及其测试板Fig.8 Photo of the chip and the test board3 结论本文针对一般的层次化流程的不足提出了相应的改进方案,考量自动布局布线的缺点,通过考虑上层电路的连接关系详细规划子模块的布局和端口约束,提出量化公式指导子模块的高宽及端口约束,降低面积和布线资源的浪费,避免多次失败的物理设计迭代,并使得每个子模块规模较小,避免工具无法优化的情况出现,以达到较小的面积和延迟.以DSP中多位选择器为例,成功减少电路约20%的面积和35%的延迟. 参考文献【相关文献】[1] SHARMA T, STEVENS K S. 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