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VHDL-1

* * VHDL语言与数字集成电路设计 电子科技大学 张鹰 VHDL Very high speed integration circuits Hardware Description Language 一种集成电路的硬件描述语言; 用于数字集成电路的设计仿真; Introduction 数字系统的逻辑表达 逻辑系统的电路实现 集成化对电路设计的影响 硬件描述语言的用途 Introduction 数字系统的逻辑表达 定义:用于处理数字信号的系统 每个节点(连线)的数字信号只有2个状态:0 1 有限状态系统的列表表达:真值表、卡诺图 数字系统的逻辑表达 单输入逻辑: 输出与输入相同、不同 数字系统的逻辑表达 2输入逻辑: 输入有1、有0,相同、不同 数字系统的逻辑表达 更多输入的情况: 根据展开定理,任意逻辑可表达为最小项与对应输出值的乘积和 任意逻辑可以采用与、或、非运算实现 数字系统的逻辑表达 状态的表达: 1 高电平 电源 0 低电平 接地 数字逻辑的电路实现 电路输出点利用受输入控制的开关获得状态 2种MOS开关器件 NMOS 高电平通,低电平断,传递低电平 PMOS 低电平通,高电平断,传递高电平 数字逻辑的电路实现 CMOS互补逻辑结构 每个输入连接1N1P,N串联表达与,N并联表达或 数字逻辑的电路实现 CMOS互补逻辑结构 与门采用与非门和反相器级联构成 数字逻辑的电路实现 AOI/OAI 结构 只有一级输入控制开关器件,二级逻辑通过连接方式选择实现。 数字逻辑的电路实现 在一片芯片上使用多个单元器件互连形成具有一定功能的整体电路单元或电路系统 集成化的特点: 小型化、高性能、低成本 集成电路(IC) 集成化对电路设计的影响 CMOS集成:平面工艺,多层布线连接 集成化对电路设计的影响 CMOS集成:平面工艺,多层布线连接 集成化对电路设计的影响 Moore定律(1965): 芯片上所集成的门电路数量,每18个月翻一番 。 SSI (1—20) 基本单元组合 MSI(20—200) 简单功能电路: LSI(200—20万) 小规模系统组件: VLSI(可达上亿) 大型系统组件或小型系统 集成化对电路设计的影响 数字电路设计方法的变迁: 基于晶体管连接的设计; 基于系统组件(集成块)的设计; 片上设计(SOC): 基于基本单元的设计 基于可编程器件的设计 集成化对电路设计的影响 中小规模设计时代: 采用系统组件(通用集成块)进行设计: 自下而上的设计: 以集成块形成功能; 以外部连接形成系统; 设计要点: 集成块:以少量种类满足各种需求 系统设计:尽可能减少模块数量和连线 集成化对电路设计的影响 片上设计时代(ASIC): 自上而下的设计:层次化设计; 先进行系统和功能的分割,再进行底层逻辑设计; 设计要点: 集成度、速度/频率、功耗 集成化对电路设计的影响 需要对电路模型具有整体了解:从系统到晶体管; 需要统一的描述方法:便于各层次交流; 虚拟测试环境:能够对电路模型进行全面的仿真测试。 片上设计的要点 集成化对电路设计的影响 CAD:计算机辅助设计:画图 CAE:计算机辅助工程:逻辑简化 EDA:电子设计自动化:设计与验证 需要建立共同交流的语言,便于不同设计团队之间的配合与交流。 数字集成电路的自动化设计 硬件描述语言的用途 采用文本形式对电路进行描述,便于电路设计和修改,便于交流保存共享; 全面支持电路硬件的设计、验证、综合和测试;设计与具体工艺无关,适合于多层次设计和并行设计。 设计交流的语言:HDL 硬件描述语言的用途 数字集成电路设计的基本条件 了解硬件电路的基本单元结构和性能评估方法; 掌握硬件电路的层次化设计思想; 掌握电路的描述方法和仿真测试方法。 Introduction 本课程内容安排 第一章:硬件电路的设计与评估 第二章:基于HDL的设计描述 第三章:VHDL的结构设计 第四章:VHDL的行为描述 教材 Digital Design —Principles Practices (第四版) John F.Wakerly 高等教育出版社 (2007) (节选相关内容) 本课程内容安排 主要内容分布 第1章 引论 第3章 数字电路 第9章 PLD器件 第5章 硬件描述语言 第6—8章 HDL的设计应

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