数字集成电路-数字系统简介.pptnew

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1、CZU数字集成电路-数字系统简介韩益锋2012/6/8FundamentalsofIC数字系统实例（1）n通用数字计算机n性能优化“优化速度”n手持计算器n低成本设计“优化成本”n牺牲速度造就低成本2012/6/8FundamentalsofIC2数字系统实例（2）n数字手表n低功耗设计n单个电池可以使用数年n低功耗电路n更低的速度n更高的成本2012/6/8FundamentalsofIC3设计折中Tradede--ooffsn提高一个性能，降低另两个n设计折中存在于各个设计层次n设计指标（Sp

2、ecifications）n功能描述n性能、成本、功耗限制n设计者选择各种折中，满足限制条件2012/6/8FundamentalsofIC4层次化设计（1）2012/6/8FundamentalsofIC5层次化设计（2）n帮助控制复杂度n采用隐藏设计细节减少处理事务的数量n模块化设计n分块设计n简化实现与测试n自顶向下设计（Top-down）n从顶部开始，逐步设计与优化n自底向上设计（Bottom-up）n从底部开始设计，逐步拼接n哪个更好？n都有，topdown控制复杂度，bottomup进

3、行模块优化2012/6/8FundamentalsofIC6数字设计n数字设计更像是艺术而不是科学，采用已有的模块进行创新设计以达到需要的功能和性能n与艺术不同，数字设计有一定程度的考量n性能，成本，功耗n能学到什么n1.学习基本模块及如何使用n2.学习数字设计的表达n3.学习正规的设计方法和工具n4.尝试和纠错，采用CAD工具进行辅助设计2012/6/8FundamentalsofIC7时钟信号n时钟是一个周期重复的脉冲，用来考量时间的流逝n波形图表达信号值随着时间在电压上的变化n时钟源通常来自

4、片外的晶振n每个芯片/系统通常有一个主时钟n时钟分布到整个芯片/系统n类似于系统的脉搏，通过直接控制数据交换来控制运算速度2012/6/8FundamentalsofIC8数字信号n低电平代表二进制0，高电平代表二进制1n电路设计能够兼容小电压波动，输出接近于理想信号n同步系统中，变化由时钟边沿决定2012/6/8FundamentalsofIC9电路延迟n数字电路不能给出直接输出n一般而言，电路延迟称为传输延迟。定义为输入到达与输出变化之间的时间n延迟是许多因素的函数。有一些设计者无法控制n工艺

5、技术、输入值等n另一些则可控制n电路结构，物理版图参数等2012/6/8FundamentalsofIC10总线信号n成组的信号称为总线BusnX0称为LSB(LeastSignificantBit)nX3称为MSB（MostSignificantBit）n大写X代表整个Busn4位数字代表4根线的值n十进制代表Bus的值和时序2012/6/8FundamentalsofIC11组合逻辑电路n四输入模块的例子n真值表代表输出函数，由输入组合而成n通常，组合逻辑电路有超过1个输出信号，此时真值表输出

6、有多列2012/6/8FundamentalsofIC12组合逻辑的例子n2Bit加法器，2bit整数输入，产生3bit结果n32Bit加法器，真值表较为复杂n定理：任何组逻辑函数都可以用逻辑门实现2012/6/8FundamentalsofIC13逻辑门n逻辑门是构建组合逻辑电路的基本单元n逻辑门与实际电路一一对应n有时，逻辑门用于表达抽象层次（FPGA没有实际的逻辑门）n逻辑门有多少种？2012/6/8FundamentalsofIC14逻辑电路的例子n电路表达和真值表n如何确保两者一致或者等

7、效？2012/6/8FundamentalsofIC15逻辑门的实现n逻辑电路的实现有多种技术方式n如果有基本逻辑电路（ANDorOR）和反相器，则可以构建整个逻辑门系列2012/6/8FundamentalsofIC16再生（Restoration）效应n逻辑电路的一个必备特性就是再生效应n电路必须：n忽略输入的噪声和其他非理想因素n在输出部分产生干净的逻辑信号n否则，每一级将会把输入噪声传递到下一级输出，最终噪声和非理想因素会积累，从而造成有用信号的丢失2012/6/8Fundamentals

8、ofIC17反相器再生效应的例子n理想反相器实际反相器n反相器类似于非线性放大器n非线性对于再生效应很关键n其他逻辑门功能类似2012/6/8FundamentalsofIC18同步系统通用模型n所有同步数字系统适用于该模型2012/6/8FundamentalsofIC19