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數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)
數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)
創(chuàng)建新數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是業(yè)內(nèi)眾所周知的流程。但是，初學(xué)者工程師可能會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)很困難，尤其是在涉及系統(tǒng)方法和面向團(tuán)隊(duì)的組織時(shí)，簡(jiǎn)單的臨時(shí)技術(shù)無(wú)效。本文將討論系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)展示數(shù)字系統(tǒng)的基本概念，以簡(jiǎn)化對(duì)技術(shù)感興趣的人的過(guò)程。
模擬與數(shù)字系統(tǒng)
首先，讓我們討論模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)之間的區(qū)別，以便我們了解數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，證明其在當(dāng)今技術(shù)中的廣泛使用是合理的。
模擬信號(hào)
模擬信號(hào)的幅度值連續(xù)分布在電壓或電流范圍內(nèi)。這意味著信號(hào)電平可以采用任何值。此外，時(shí)間分布也是連續(xù)的，因此在任何給定時(shí)間點(diǎn)都有信息。因此，模擬信號(hào)可以以非常直接的方式提供信息：例如，熱電偶的電壓值可以與溫度直接相關(guān)，無(wú)需進(jìn)一步編碼。然而，模擬信號(hào)難以處理和計(jì)算。
圖 1：模擬信號(hào)
數(shù)字信號(hào)
另一方面，數(shù)字信號(hào)的幅度離散地分布在有限的值范圍內(nèi)。在現(xiàn)代系統(tǒng)中，此幅度僅限于兩個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)于邏輯 0 和 1。此外，時(shí)間是離散的，這意味著信息只能以最小時(shí)間間隔的整數(shù)倍變化，稱為時(shí)鐘。這允許通過(guò)每個(gè)時(shí)鐘僅進(jìn)行一次測(cè)量來(lái)訪問(wèn)信號(hào)中包含的所有信息。
圖 2：數(shù)字信號(hào)
數(shù)字信號(hào)的優(yōu)勢(shì)
從某種意義上說(shuō)，數(shù)字信號(hào)也是模擬信號(hào)。不同之處在于信息的存儲(chǔ)方式。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)只有兩個(gè)電平，我們可以建立一個(gè)信息閾值：如果幅度高于閾值，則認(rèn)為是 1，如果低于閾值，則解釋為 0。這允許應(yīng)用布爾邏輯，這比處理模擬信息所需的微積分要容易得多。因此，使用數(shù)字信號(hào)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件和計(jì)算過(guò)程。
此外，由于精確的幅度水平不再重要（僅與閾值進(jìn)行比較），因此信號(hào)幾乎不受硬件退化的影響，例如外部噪聲、溫度、老化等。
因此，數(shù)字信號(hào)更容易設(shè)計(jì)，可以使用相同的硬件以不同的方式進(jìn)行編程，更經(jīng)濟(jì)、靈活、處理速度更快、更容易設(shè)計(jì)，并且可以縮小到非常小的集成電路，填充單個(gè)芯片數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的邏輯門(mén)。
信號(hào)兼容性
數(shù)字系統(tǒng)最重要的參數(shù)之一是要使用的信號(hào)的邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)。這很重要，因?yàn)橄到y(tǒng)中的每個(gè)組件都應(yīng)該相互兼容，以確保正常運(yùn)行。業(yè)界主要有五種標(biāo)準(zhǔn)：5 V TTL、5 V CMOS、3.3 V LVTTL、2.5 V CMOS和1.8 V CMOS。
每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了定義信號(hào)邏輯值的電壓幅度。有兩種規(guī)格：輸入邏輯電平（VIL、VIH）和輸出邏輯電平（VOL、VOH）。在數(shù)字組件中，輸入電壓低于 VIL 時(shí)視為零，高于 VIH 時(shí)視為一。在輸出中也會(huì)發(fā)生同樣的情況，其中低于 VOL 的電壓被認(rèn)為是零，高于 VOH 的被認(rèn)為是 1。通常，VOH > VIH 和 VOL < VIL，以確保下一個(gè)組件正確解釋一個(gè)組件的輸出電壓。
為了理解兼容性，讓我們考慮下面的情況，其中 2.5V CMOS 電路與 5V TTL 電路級(jí)聯(lián)。2.5V CMOS電路的最小輸出1為VOH = 2.3 V，高于5V TTL電路的最小輸入1。邏輯零也是如此，CMOS 輸出低于 VOL = 0.2 V，TTL 輸入低于 VIL = 0.8 V。因此，組件在此配置中是兼容的。
圖 3：幾種標(biāo)準(zhǔn)的電壓等級(jí)
數(shù)字設(shè)計(jì)范式
數(shù)字系統(tǒng)遠(yuǎn)沒(méi)有模擬系統(tǒng)那么復(fù)雜。然而，這并不意味著設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)生活中很容易。對(duì)于小型系統(tǒng)，工程師和業(yè)余愛(ài)好者即使在沒(méi)有系統(tǒng)組織的情況下使用“動(dòng)態(tài)”設(shè)計(jì)方法也可以獲得良好的結(jié)果。然而，對(duì)于大型系統(tǒng)，尤其是涉及專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)的大型系統(tǒng)，忽略良好實(shí)踐、分層設(shè)計(jì)技術(shù)以及系統(tǒng)規(guī)劃、文檔和溝通變得不切實(shí)際。
特設(shè)數(shù)字設(shè)計(jì)
Ad hoc設(shè)計(jì)通常是電路設(shè)計(jì)的初學(xué)者方法。它基本上是“動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)”范式，其中問(wèn)題在本地解決并在發(fā)現(xiàn)時(shí)隔離，而不考慮整個(gè)設(shè)備。盡管這種技術(shù)可以在簡(jiǎn)單的電路中工作，但它無(wú)法管理復(fù)雜的系統(tǒng)，因?yàn)獒槍?duì)孤立問(wèn)題設(shè)計(jì)的解決方案通常無(wú)法系統(tǒng)地產(chǎn)生最佳行為。此外，這種范式很難應(yīng)用于基于團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目，因?yàn)槟K之間的通信和兼容性是不切實(shí)際的。
分層設(shè)計(jì)
分層設(shè)計(jì)包括首先觀察整個(gè)項(xiàng)目，然后將其劃分為子模塊。然后單獨(dú)設(shè)計(jì)每個(gè)子模塊，并將其視為“黑匣子”。現(xiàn)在，每個(gè)問(wèn)題都可以單獨(dú)解決，但是為了兼容性和效率，模塊之間的接口應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
在基于團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)中，每個(gè)模塊可以由不同的人或小組設(shè)計(jì)。在這個(gè)階段，通信是避免兼容性問(wèn)題的基礎(chǔ)。此外，每個(gè)模塊的 I/O 應(yīng)遵循先前建立的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)可能因項(xiàng)目而異。
圖 4：分層設(shè)計(jì)框圖
Gajski-Kuhn 圖
Gajski-Kuhn Chart 或 Y-Chart 表示數(shù)字系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)水平和觀點(diǎn)。它由五個(gè)層次（由圓圈表示）和三個(gè)視角（由箭頭表示）組成。每個(gè)圓圈描述一個(gè)抽象級(jí)別，每個(gè)箭頭描述一種查看電路的方式。抽象級(jí)別沿箭頭方向增加。
圖 5：Gajski-Kuhn 圖
在級(jí)別上下文中，電路設(shè)計(jì)可以采用兩種方法：自頂向下方法和自底向上方法。自上而下的設(shè)計(jì)從較高的抽象級(jí)別（系統(tǒng)）到較低的級(jí)別（開(kāi)關(guān)）。自下而上的方法則相反。
自上而下：這種方法從更高的抽象層次，系統(tǒng)圈開(kāi)始。基本上，它從系統(tǒng)塊的定義開(kāi)始，根據(jù)行為、結(jié)構(gòu)和/或幾何形狀對(duì)其進(jìn)行定義和描述。然后，從下一個(gè)抽象層將模塊劃分為子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)是創(chuàng)建主模塊所必需的。該過(guò)程一直持續(xù)到設(shè)計(jì)到達(dá)較低級(jí)別的塊。這種方法提供了更全面的設(shè)計(jì)視圖，更容易保持模塊之間的一致性，并更容易專(zhuān)注于設(shè)計(jì)目標(biāo)，這在主要塊中進(jìn)行了描述。
圖 6：自上而下的方法
自下而上：另一方面，這種方法從設(shè)計(jì)的基本單元開(kāi)始，即第一抽象層次的子模塊，即開(kāi)關(guān)。然后從較低到較高的抽象級(jí)別執(zhí)行設(shè)計(jì)，最終到達(dá)主系統(tǒng)塊。這種方法更適用于可用于構(gòu)建第一個(gè)塊的技術(shù)有限的情況，并且應(yīng)首先設(shè)計(jì)系統(tǒng)的第一個(gè)塊以避免達(dá)到可用技術(shù)無(wú)法滿足的規(guī)格。
圖 7：自下而上的方法
混合方法：可能是業(yè)界最常用的方法。較低級(jí)別由可用的半導(dǎo)體技術(shù)定義，因此它們是使用自底向上的方法設(shè)計(jì)的。但同時(shí)，更高層次的抽象也是采用自頂向下的方法設(shè)計(jì)的。最后，兩個(gè)設(shè)計(jì)流程相遇，完成項(xiàng)目。
盡管存在三種不同的視角（行為、結(jié)構(gòu)和幾何），但設(shè)計(jì)流程可以在此過(guò)程中在視角之間切換。例如，自頂向下的設(shè)計(jì)可以從系統(tǒng)級(jí)的行為視角開(kāi)始，到達(dá)寄存器傳輸級(jí)時(shí)跳轉(zhuǎn)到結(jié)構(gòu)視角。
數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟
問(wèn)題定義
問(wèn)題必須用一句話或幾句話來(lái)定義，讓團(tuán)隊(duì)中的每個(gè)人都清楚項(xiàng)目的目標(biāo)。例如：
“設(shè)計(jì)一個(gè)接受三個(gè)輸入并提供兩個(gè)輸出的邏輯端口：輸出 1 在輸入 1 和輸入 2 之間執(zhí)行 AND 運(yùn)算，輸出 2 在輸入 1 和輸入 3 之間執(zhí)行 OR 運(yùn)算。”
功能規(guī)格
使用邏輯語(yǔ)句創(chuàng)建描述系統(tǒng)行為的函數(shù)算法。在我們的簡(jiǎn)單示例中：
OUT1 = IN1 和 IN2
OUT2 = IN1 或 IN3
框圖
使用塊符號(hào)來(lái)描述信號(hào)流，因此每個(gè)塊是整個(gè)系統(tǒng)的不同模塊，應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)。方塊圖還指定了每個(gè)方塊之間的關(guān)系。
圖 8：示例數(shù)字系統(tǒng)的框圖
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
現(xiàn)在應(yīng)該使用可用的技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)和表示每個(gè)塊。例如，微電子電路可用于設(shè)計(jì)將直接在硅上制造的塊，并且在實(shí)現(xiàn)可編程門(mén)陣列 (PGA) 時(shí)可以使用硬件描述語(yǔ)言。為了簡(jiǎn)化電路表示，中等規(guī)模集成 (MSI) 塊，例如多路復(fù)用器和編碼器。
模擬和測(cè)試
最后，可以對(duì)每個(gè)模塊和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真以驗(yàn)證設(shè)計(jì)。為此，市場(chǎng)上有多種電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 (EDA) 程序。模擬后，可以制造和測(cè)試系統(tǒng)以進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。