数字系统设计技术概述.doc

第1章 数字系统设计技术概述 1.1 数字系统设计技术的基本要素 有人说，现在的时代是信息化的时代，信息化的特征是对所有的信息进行数字化处理、数字化传输、数字化控制，由此构成的系统是数字系统。 有人说，信息化的核心内容是多媒体，而多媒体系统的核心技术是计算机技术。计算机的处理方式、控制方式、传输方式必然是数字化的方式，所以，多媒体系统当然就是数字化的系统。 自然界固有的物理信息，如温度、时间、湿度、听觉（声音）、视觉（图像）等都是模拟的信息，那么，数字化的方式就在于对这些信息要进行数字化编码、数字化传输、数字化解码的处理。一个系统的编解码过程如图1-1所示。 图1-1 编码和解码的过程 研究不同的编码解码方式、不同的传输方式，以实现系统的功能，改进系统的性能，这就需要解决核心理论和实现方法的问题。在此基础上如何形成硬件、软件系统，则是数字系统设计技术的方法学问题。 所谓数字系统设计技术，就是指在解决了对不同目标信息的数字化编码、数字化传输、数字化解码的基本理论、算法定义和协议规范之后，对其如何进行系统的构成，如何以最优化的性能（如速度，还原性等指标）、最低廉的成本（如芯片面积、集成密度等）来实现该系统的技术。 所谓数字系统，可以是基于计算机平台的软件系统、可以是基于计算机内核的软硬件协同嵌入系统（或称SOC）、也可以是以状态机为核心的硬件系统。 本书介绍的主要是指以状态机设计为特征的FPGA数字硬件系统。随着FPGA单片规模的不断扩大，在FPGA芯片内实现以CPU核为核心的软硬件协同系统也成为现实。不管哪种系统形式，采用FPGA作为实现载体的数字系统技术主要是指数字系统的硬件设计。纵观这样的数字系统设计，有如下两个概念化信息： （1）任何一个用户待实现的目标逻辑功能，从原理上而言，均可采用如上数字系统的任一形式来实现，问题在于，需要根据用户目标逻辑功能的性能指标、成本指标、用途指标来权衡选择采用或适合采用哪一种系统方案。有的系统设计需要采用基于计算机平台的软件系统实现即可，有的系统则需要采用基于CPU内核的软硬件协同的嵌入式系统或状态机内核的硬件电路来实现。只要需要采用后两种方案的设计就会用到本书所介绍的FPGA数字系统现场集成技术。 （2）对于嵌入式系统，从原理上而言，任一特定的目标逻辑功能或控制方式，既可以采用基于CPU的指令运算的程序化方式去实现，也可采用有限状态机的全硬件方案去规划。当讨论对于以FPGA为目标载体的数字系统设计时，其主要的设计形式在于有限状态机为特征的全硬件数字系统的设计。这两种方案的设计模式是不一样的，显然，其设计的性能结果亦大不相同。 关于这样的数字系统设计技术，主要有如下4个基本要素： 1.1.1 系统的构成 现代数字系统的构成，其实质是数字VLSI系统的构成，即SOC芯片系统的构成（如图1-2所示）是SOC系统的典型构成原理。 图1-2 SOC系统的典型构成原理 数字VLSI系统设计主要包括系统级、功能级、逻辑级设计，以最终的目标芯片的硬件实现为特征。因此，数字系统设计在实质上不仅对设计者专业的理论知识具有要求，同时又必须有电路与系统、微电子等知识体系的支持。 这是一个从系统的功能要求提出，经过逻辑抽象，进而具体化到物理结构的过程。任何复杂的数字系统从原理上而言都可以最终分解成基本的逻辑门和存储器元件。这种分解可以手工进行，也可以由计算机自动进行。其设计过程就是把高级的系统描述最终转化为跟芯片物理实现相对应的描述过程。 为了完成这样的转换，人们研究出描述数字系统的特殊的抽象方法，总结出所谓的层次化，结构化的方法。层次化的设计方法能使复杂的系统简化，并能在不同的设计层次及时发现错误并加以纠正。结构化设计方法则把复杂抽象的系统划分成一些可操作的模块，允许多个设计者同时设计，而且某些子模块的资源可以共用。 层次化、结构化的描述方法由图1-3所示，图中三个互不相同的设计域由三条射线表示，分别为行为域、结构域、物理域。 图1-3 层次化、结构化的描述方法 行为域描述一个特定的系统做些什么，要完成什么功能。结构域描述实现某一功能的具体结构以及各组成部件是怎样连接在一起的。物理域描述结构的物理实现，以及怎样实际制作一个满足一定的连接关系的结构，并能实现所要求功能的芯片。 每个设计域都可以在不同的抽象层次上描述，图中同心圆表示不同的抽象层次，这些抽象层次从高到低通常包含下面的设计级别：系统结构级（块、功能块）、寄存器传输级、逻辑级、电路级和晶体管级。 1.1.2 设计方法学 纵观数字系统设计的发展历史可以看到，系统的设计能力主要受到如下两个因素的影响：其一，电子器件的发展水平和集成电路的工艺技术的进步；其二，系统设计方法的创新和设计手段的进步。集成电路工艺技术向深亚微米工艺的进步，推动超大规模系统