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【从零开始学习计算机科学】数字逻辑(四)数字系统设计

【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
    • 硬件描述语言 HDL(Hardware Description Language)
    • Verilog HDL 的起源与发展
    • HDL 软核、固核和硬核的重用
    • HDL 的应用
    • 数字系统设计实现

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

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