数字系统设计

2021-06-24

数字系统设计

创建新(xīn)数字系统的设计流程是业内众所周知的流程。但是，初學(xué)者工程师可(kě)能(néng)会发现设计复杂的数字系统很(hěn)困难，尤其是在涉及系统方法和面向团队的组织时，简单的临时技术无效。本文(wén)将讨论系统的数字系统设计，同时展示数字系统的基本概念，以简化对技术感兴趣的人的过程。

模拟与数字系统

首先，让我们讨论模拟信号和数字信号之间的區(qū)别，以便我们了解数字系统的优势，证明其在当今技术中的广泛使用(yòng)是合理(lǐ)的。 

模拟信号 

模拟信号的幅度值连续分(fēn)布在電(diàn)压或電(diàn)流范围内。这意味着信号電(diàn)平可(kě)以采用(yòng)任何值。此外，时间分(fēn)布也是连续的，因此在任何给定时间点都有(yǒu)信息。因此，模拟信号可(kě)以以非常直接的方式提供信息：例如，热電(diàn)偶的電(diàn)压值可(kě)以与温度直接相关，无需进一步编码。然而，模拟信号难以处理(lǐ)和计算。 

图 1：模拟信号

数字信号

另一方面，数字信号的幅度离散地分(fēn)布在有(yǒu)限的值范围内。在现代系统中，此幅度仅限于两个级别，对应于逻辑 0 和 1。此外，时间是离散的，这意味着信息只能(néng)以最小(xiǎo)时间间隔的整数倍变化，称為(wèi)时钟。这允许通过每个时钟仅进行一次测量来访问信号中包含的所有(yǒu)信息。 

图 2：数字信号 

数字信号的优势 

从某种意义上说，数字信号也是模拟信号。不同之处在于信息的存储方式。因為(wèi)数字信号只有(yǒu)两个電(diàn)平，我们可(kě)以建立一个信息阈值：如果幅度高于阈值，则认為(wèi)是 1，如果低于阈值，则解释為(wèi) 0。这允许应用(yòng)布尔逻辑，这比处理(lǐ)模拟信息所需的微积分(fēn)要容易得多(duō)。因此，使用(yòng)数字信号可(kě)以简化系统的硬件和计算过程。

此外，由于精确的幅度水平不再重要（仅与阈值进行比较），因此信号几乎不受硬件退化的影响，例如外部噪声、温度、老化等。

因此，数字信号更容易设计，可(kě)以使用(yòng)相同的硬件以不同的方式进行编程，更经济、灵活、处理(lǐ)速度更快、更容易设计，并且可(kě)以缩小(xiǎo)到非常小(xiǎo)的集成電(diàn)路，填充单个芯片数以百万计的逻辑门。

信号兼容性

数字系统最重要的参数之一是要使用(yòng)的信号的逻辑電(diàn)平标准。这很(hěn)重要，因為(wèi)系统中的每个组件都应该相互兼容，以确保正常运行。业界主要有(yǒu)五种标准：5 V TTL、5 V CMOS、3.3 V LVTTL、2.5 V CMOS和1.8 V CMOS。 

每个标准定义了定义信号逻辑值的電(diàn)压幅度。有(yǒu)两种规格：输入逻辑電(diàn)平（VIL、VIH）和输出逻辑電(diàn)平（VOL、VOH）。在数字组件中，输入電(diàn)压低于 VIL 时视為(wèi)零，高于 VIH 时视為(wèi)一。在输出中也会发生同样的情况，其中低于 VOL 的電(diàn)压被认為(wèi)是零，高于 VOH 的被认為(wèi)是 1。通常，VOH > VIH 和 VOL < VIL，以确保下一个组件正确解释一个组件的输出電(diàn)压。

為(wèi)了理(lǐ)解兼容性，让我们考虑下面的情况，其中 2.5V CMOS 電(diàn)路与 5V TTL 電(diàn)路级联。2.5V CMOS電(diàn)路的最小(xiǎo)输出1為(wèi)VOH = 2.3 V，高于5V TTL電(diàn)路的最小(xiǎo)输入1。逻辑零也是如此，CMOS 输出低于 VOL = 0.2 V，TTL 输入低于 VIL = 0.8 V。因此，组件在此配置中是兼容的。 

图 3：几种标准的電(diàn)压等级 

数字设计范式 

数字系统遠(yuǎn)没有(yǒu)模拟系统那么复杂。然而，这并不意味着设计在现实生活中很(hěn)容易。对于小(xiǎo)型系统，工程师和业余爱好者即使在没有(yǒu)系统组织的情况下使用(yòng)“动态”设计方法也可(kě)以获得良好的结果。然而，对于大型系统，尤其是涉及专业团队的大型系统，忽略良好实践、分(fēn)层设计技术以及系统规划、文(wén)档和沟通变得不切实际。 

特设数字设计 

Ad hoc设计通常是電(diàn)路设计的初學(xué)者方法。它基本上是“动态设计”范式，其中问题在本地解决并在发现时隔离，而不考虑整个设备。尽管这种技术可(kě)以在简单的電(diàn)路中工作，但它无法管理(lǐ)复杂的系统，因為(wèi)针对孤立问题设计的解决方案通常无法系统地产生最佳行為(wèi)。此外，这种范式很(hěn)难应用(yòng)于基于团队的项目，因為(wèi)模块之间的通信和兼容性是不切实际的。 

分(fēn)层设计 

分(fēn)层设计包括首先观察整个项目，然后将其划分(fēn)為(wèi)子模块。然后单独设计每个子模块，并将其视為(wèi)“黑匣子”。现在，每个问题都可(kě)以单独解决，但是為(wèi)了兼容性和效率，模块之间的接口应该按照标准设计。 

在基于团队的设计中，每个模块可(kě)以由不同的人或小(xiǎo)组设计。在这个阶段，通信是避免兼容性问题的基础。此外，每个模块的 I/O 应遵循先前建立的标准，这些标准可(kě)能(néng)因项目而异。 

图 4：分(fēn)层设计框图

Gajski-Kuhn 图

Gajski-Kuhn Chart 或 Y-Chart 表示数字系统的硬件设计水平和观点。它由五个层次（由圆圈表示）和三个视角（由箭头表示）组成。每个圆圈描述一个抽象级别，每个箭头描述一种查看電(diàn)路的方式。抽象级别沿箭头方向增加。  

 

图 5：Gajski-Kuhn 图

在级别上下文(wén)中，電(diàn)路设计可(kě)以采用(yòng)两种方法：自顶向下方法和自底向上方法。自上而下的设计从较高的抽象级别（系统）到较低的级别（开关）。自下而上的方法则相反。 

自上而下：这种方法从更高的抽象层次，系统圈开始。基本上，它从系统块的定义开始，根据行為(wèi)、结构和/或几何形状对其进行定义和描述。然后，从下一个抽象层将模块划分(fēn)為(wèi)子系统，这些子系统是创建主模块所必需的。该过程一直持续到设计到达较低级别的块。这种方法提供了更全面的设计视图，更容易保持模块之间的一致性，并更容易专注于设计目标，这在主要块中进行了描述。

 

图 6：自上而下的方法

自下而上：另一方面，这种方法从设计的基本单元开始，即第一抽象层次的子模块，即开关。然后从较低到较高的抽象级别执行设计，最终到达主系统块。这种方法更适用(yòng)于可(kě)用(yòng)于构建第一个块的技术有(yǒu)限的情况，并且应首先设计系统的第一个块以避免达到可(kě)用(yòng)技术无法满足的规格。

图 7：自下而上的方法 

混合方法：可(kě)能(néng)是业界最常用(yòng)的方法。较低级别由可(kě)用(yòng)的半导體(tǐ)技术定义，因此它们是使用(yòng)自底向上的方法设计的。但同时，更高层次的抽象也是采用(yòng)自顶向下的方法设计的。最后，两个设计流程相遇，完成项目。

尽管存在三种不同的视角（行為(wèi)、结构和几何），但设计流程可(kě)以在此过程中在视角之间切换。例如，自顶向下的设计可(kě)以从系统级的行為(wèi)视角开始，到达寄存器传输级时跳转到结构视角。 

数字系统设计步骤

问题定义 

问题必须用(yòng)一句话或几句话来定义，让团队中的每个人都清楚项目的目标。例如：

“设计一个接受三个输入并提供两个输出的逻辑端口：输出 1 在输入 1 和输入 2 之间执行 AND 运算，输出 2 在输入 1 和输入 3 之间执行 OR 运算。” 

功能(néng)规格 

使用(yòng)逻辑语句创建描述系统行為(wèi)的函数算法。在我们的简单示例中：

OUT1 = IN1 和 IN2

OUT2 = IN1 或 IN3 

框图 

使用(yòng)块符号来描述信号流，因此每个块是整个系统的不同模块，应单独设计。方块图还指定了每个方块之间的关系。

图 8：示例数字系统的框图

结构设计

现在应该使用(yòng)可(kě)用(yòng)的技术来设计和表示每个块。例如，微電(diàn)子電(diàn)路可(kě)用(yòng)于设计将直接在硅上制造的块，并且在实现可(kě)编程门阵列 (PGA) 时可(kě)以使用(yòng)硬件描述语言。為(wèi)了简化電(diàn)路表示，中等规模集成 (MSI) 块，例如多(duō)路复用(yòng)器和编码器。 

模拟和测试 

最后，可(kě)以对每个模块和整个系统进行仿真以验证设计。為(wèi)此，市场上有(yǒu)多(duō)种電(diàn)子设计自动化 (EDA) 程序。模拟后，可(kě)以制造和测试系统以进行实际验证。