【从零开始学习计算机科学】数字逻辑（四）数字系统设计

数字系统设计

一个数字集成电路的可以从不同的层次（系统级、算法级、寄存器传输级、门级、开关级）以及不同的领域（行为领域、结构领域、物理领域）进行描述。三个领域主要含义如下：

• 行为领域 描述一个设计的基本功能，或者说所设计的电路应该做什么。从概念上讲，是纯行为的描述，是输入和输出映射关系的描述。
• 结构领域 描述一个设计的逻辑结构，或者说一个设计的抽象实现。典型的表达方式是一些抽象功能模块之间相互连接的网表。
• 物理领域 描述一个设计的物理实现，或者说把结构描述中的抽象元件代之以真正的物理元件。物理域的设计常常与具体的电路工艺条件相关联。

五个描述层次主要含义如下：

• 系统级 是针对整个数字系统性能的描述，是系统最高层次的抽象描述。系统级只描述电路的行为而不涉及电路的结构。
• 算法级 是在系统级性能分析和结构划分之后，对每个模块功能行为的描述。这一层次又称为行为层或功能层。
• 寄存器传输级 是从信号存储、传输的角度去描述整个系统的。
• 门级 是从各种逻辑门的组合、连接的角度去描述整个系统的。
• 开关级 门级中的逻辑门是由晶体管电路组成的。因此开关级描述是从晶体管的组合、连接的角度来描述整个系统的。

从设计方法学的角度来看，基于 EDA 技术设计中，有两种基本的设计思路（自顶向下和自底向上）。

• 自顶向下的设计（TOP-DOWN）首先从整体上规划整个系统的功能和性质，然后对系统进行分割，将系统划分为各个功能模块，每个模块也可进一步细化，并借助于EDA 技术完成到工艺的映射直至物理实现。其特点是借助 EDA 工具，自动地实现从高层次到低层次的转换，从而使得自顶向下的过程得以实现。
• 自底向上的设计 (DOWN-TOP)是一种传统的设计方法。即首先确定可用的元器件，然后根据器件进行逻辑设计，完成各模块后进行连接，最后形成一个完整的系统。由于它首先进行的是低层设计，因此，缺乏对整个系统总体性能的把握。系统规模越大，复杂度越高，其缺点越突出。

硬件描述语言 HDL（Hardware De