EDA原理及VHDL实现

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1、EDAEDA原理及原理及VHDLVHDL实现实现课程内容第第1010章章 设计下载和调试设计下载和调试第第1111章章 数字时钟设计及实现（数字时钟设计及实现（*)*)第第1212章章 通用异步接收发送器设计及实现通用异步接收发送器设计及实现(*)(*)第第1313章章 数字电压表设计及实现数字电压表设计及实现(*)(*)第第1414章章 软核处理器软核处理器PicoBlazePicoBlaze原理及应用原理及应用(*)(*)注：带注：带*的内容可根据课时的安排选讲的内容可根据课时的安排选讲课程授课时间安排 该课程计划总学时：该课程计划总学时：5656 其中：其中：理论教授课时：理论教授课时：

2、4040 实验课时：实验课时：1616（大约安排实验（大约安排实验6-76-7个）个）课程教学用书 理论教学参考用书理论教学参考用书：1.1.何宾编著何宾编著,EDA,清华大学出版清华大学出版社。社。2011.092011.09。实验教学参考用书实验教学参考用书：1.1.何宾编著何宾编著,EDA,，清华大学，清华大学出版社。出版社。2009.072009.07 2.2.何宾编著何宾编著,清华大学清华大学出版社出版社 课程网络资源：课程网络资源：http:/ http:/课程所要解决的问题？回忆大二所学数字电路课程，还留在你们心回忆大二所学数字电路课程，还留在你们心中的回忆：中的回忆：烦琐的卡诺

3、图的化简（令你们和我一样抓狂）烦琐的卡诺图的化简（令你们和我一样抓狂）如果让你手工化简多变量呢？如果让你手工化简多变量呢？估计你要崩溃估计你要崩溃想想在做电子课程设计中，你们要花大量的时间想想在做电子课程设计中，你们要花大量的时间和精力把区区几个和精力把区区几个74LSXX74LSXX的门电路，用大量的的门电路，用大量的导线连接在一起。导线连接在一起。这个过程估计你们谁也头疼。这个过程估计你们谁也头疼。你们也一定也知道在你们教科书的末尾好象提到你们也一定也知道在你们教科书的末尾好象提到了一个称为硬件描述语言了一个称为硬件描述语言HDLHDL的东西。老师没的东西。老师没讲，忽略了讲，忽略了,为什

4、么啊？（这门课将要揭密）为什么啊？（这门课将要揭密）课程所要解决的问题？当你们经历了以上的痛苦后，不知道你们想过下当你们经历了以上的痛苦后，不知道你们想过下面的问题没有？面的问题没有？能不能让计算机帮助化简卡诺图？而且是多个能不能让计算机帮助化简卡诺图？而且是多个 变量？变量？能不能用一种芯片实现多个分离小规模数字能不能用一种芯片实现多个分离小规模数字ICIC的功能，并且在芯片内部将这些功能连接？的功能，并且在芯片内部将这些功能连接？设计数字系统能不能象设计数字系统能不能象C C语言那样，只关心语言那样，只关心“如如何描述何描述”一个数字系统，而不是一个数字系统，而不是“如何具体实现如何具体实

5、现”数字系统。数字系统。课程的重要性 该课程的学习对后续多门课程的学习起着重要的该课程的学习对后续多门课程的学习起着重要的作用，比如微机原理、单片机、数字信作用，比如微机原理、单片机、数字信号处理号处理 、通信原理等和、通信原理等和“数字数字”0”0和和11有关课有关课程。程。该课程是从事电子系统设计相关专业学生必须掌该课程是从事电子系统设计相关专业学生必须掌握的内容。握的内容。大学生电子设计竞赛也把该课程内容作为参赛学大学生电子设计竞赛也把该课程内容作为参赛学生应该掌握的内容之一。生应该掌握的内容之一。你们慢慢体会吧你们慢慢体会吧 数字系统EDA技术发展概述 电子设计自动化（电子设计自动化（

6、Electronics Design Automation,Electronics Design Automation,EDAEDA）技术是一门迅速发展的新技术。）技术是一门迅速发展的新技术。EDA EDA设计就是在计算机上通过特定功能的软件开设计就是在计算机上通过特定功能的软件开发工具，协助设计人员以全自动或半自动化方式完成发工具，协助设计人员以全自动或半自动化方式完成所要求电子系统的设计。所要求电子系统的设计。数字系统EDA技术发展概述 EDA EDA技术所涉及的领域相当广泛，业界一般将技术所涉及的领域相当广泛，业界一般将EDAEDA技术分成技术分成:狭义狭义EDAEDA技术技术 广义广义

7、EDAEDA技术技术数字系统EDA技术发展概述 狭义狭义狭义狭义EDAEDA技术技术技术技术，就是指以大规模可编程逻辑器件为，就是指以大规模可编程逻辑器件为设计载体，设计载体，以以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，式，以以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，开发系统为设计工具，通过通过有关的开发软件，有关的开发软件，自动自动完成用完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的软件方式设计的电子系统到硬件系统的:逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割

8、、逻辑综合及优化、逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作编译、逻辑映射、编程下载等工作编译、逻辑映射、编程下载等工作编译、逻辑映射、编程下载等工作 最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术，或称为术，或称为IES/ASICIES/ASIC自动设计技术。自动设计技术。

9、数字系统EDA技术发展概述 广义广义EDAEDA技术，是通过计算机及其电子系统的辅助技术，是通过计算机及其电子系统的辅助分析和设计软件，完成电子系统某一部分的设计过分析和设计软件，完成电子系统某一部分的设计过程。因此，广义程。因此，广义EDAEDA技术除了包含狭义的技术除了包含狭义的EDAEDA技术技术外，还包括外，还包括:n n计算机辅助分析计算机辅助分析CAACAA技术技术(如如PSPICEPSPICE，EWBEWB，MATLABMATLAB等等)，n n印刷电路板计算机辅助设计印刷电路板计算机辅助设计PCB-CADPCB-CAD技术技术(如如PROTELPROTEL，ORCADORCAD

10、等等)n n其它高频和射频设计和分析的工具等其它高频和射频设计和分析的工具等 数字系统设计技术发展历史数字系统设计技术发展历史 在过去的在过去的6060年中，数字逻辑改变了整个世界，年中，数字逻辑改变了整个世界，整个世界朝着数字化方向发展。今天我们所熟悉的整个世界朝着数字化方向发展。今天我们所熟悉的计算机在第二次世界大战后才出现在人类世界中。计算机在第二次世界大战后才出现在人类世界中。表表1.11.1给出了在计算机和数字逻辑发展历史上的给出了在计算机和数字逻辑发展历史上的重大事件。重大事件。从该表可以看出数字逻辑设计技术经过了近从该表可以看出数字逻辑设计技术经过了近400400年的逐步进化的过

11、程。年的逐步进化的过程。数字系统设计技术发展历史数字系统设计技术发展历史年代年代年代年代事件事件事件事件公元前公元前公元前公元前30003000年年年年巴比巴比巴比巴比伦伦伦伦王国开王国开王国开王国开发发发发了算了算了算了算盘盘盘盘。这这这这个装置，它使用的个装置，它使用的个装置，它使用的个装置，它使用的线线线线（棍子）上的一列珠子表示数（棍子）上的一列珠子表示数（棍子）上的一列珠子表示数（棍子）上的一列珠子表示数字，今天仍然在字，今天仍然在字，今天仍然在字，今天仍然在远东远东远东远东地区的一些地方使用，用于地区的一些地方使用，用于地区的一些地方使用，用于地区的一些地方使用，用于执执执执行行行

12、行计计计计算。算。算。算。1614-16171614-1617John NapierJohn Napier，苏苏苏苏格格格格兰兰兰兰数学家，数学家，数学家，数学家，发发发发明了明了明了明了对对对对数，允数，允数，允数，允许许许许通通通通过过过过加来加来加来加来进进进进行乘法和减行乘法和减行乘法和减行乘法和减进进进进行除行除行除行除法。他法。他法。他法。他发发发发明了棒子或者数支，明了棒子或者数支，明了棒子或者数支，明了棒子或者数支，这样这样这样这样可以通可以通可以通可以通过过过过一种特殊的方法移一种特殊的方法移一种特殊的方法移一种特殊的方法移动动动动棍子来棍子来棍子来棍子来实现对实现对实现对实

13、现对大数的乘或者除。大数的乘或者除。大数的乘或者除。大数的乘或者除。16231623Wilhelm SchickardWilhelm Schickard，德国教授，德国教授，德国教授，德国教授，发发发发明了第一个机械式明了第一个机械式明了第一个机械式明了第一个机械式计计计计算器，称算器，称算器，称算器，称为为为为“计计计计算算算算钟钟钟钟”。16301630William OughtredWilliam Oughtred，英国数学家和牧，英国数学家和牧，英国数学家和牧，英国数学家和牧师师师师，发发发发明了明了明了明了计计计计算尺。算尺。算尺。算尺。1642-16441642-1644Blais

14、e Pascal,Blaise Pascal,法国数学家，物理学家和宗教哲学家，法国数学家，物理学家和宗教哲学家，法国数学家，物理学家和宗教哲学家，法国数学家，物理学家和宗教哲学家，发发发发明了第一个机械明了第一个机械明了第一个机械明了第一个机械计计计计算器算器算器算器Pascaline.Pascaline.1672-16741672-1674Gottfried Wilhelm Von LeibnizGottfried Wilhelm Von Leibniz，德国数学家，外交官，德国数学家，外交官，德国数学家，外交官，德国数学家，外交官，历历历历史学家，法学家和微史学家，法学家和微史学家，法学

15、家和微史学家，法学家和微分的分的分的分的发发发发明家，明家，明家，明家，发发发发明了一个称明了一个称明了一个称明了一个称为为为为步步步步进进进进式式式式计计计计算器的机械算器的机械算器的机械算器的机械计计计计算器。算器。算器。算器。计计计计算器有一个独一算器有一个独一算器有一个独一算器有一个独一的的的的齿轮齿轮齿轮齿轮-莱布尼茨莱布尼茨莱布尼茨莱布尼茨轮轮轮轮，用于机械式的乘法器。尽管没有使用，用于机械式的乘法器。尽管没有使用，用于机械式的乘法器。尽管没有使用，用于机械式的乘法器。尽管没有使用这这这这个个个个计计计计算器，但是算器，但是算器，但是算器，但是该该该该设计对设计对设计对设计对未来的

16、机械式未来的机械式未来的机械式未来的机械式计计计计算器的算器的算器的算器的发发发发展展展展产产产产生了深生了深生了深生了深远远远远的影响。的影响。的影响。的影响。1823-18391823-1839 Charles Babbage Charles Babbage，英国数学家和，英国数学家和，英国数学家和，英国数学家和发发发发明家，开始在他的差分机上工作，明家，开始在他的差分机上工作，明家，开始在他的差分机上工作，明家，开始在他的差分机上工作，该该该该机器机器机器机器设计设计设计设计用于自用于自用于自用于自动动动动的的的的处处处处理理理理对对对对数数数数计计计计算。由于有大量来自政府的工作和算。

17、由于有大量来自政府的工作和算。由于有大量来自政府的工作和算。由于有大量来自政府的工作和资资资资金，没有完成金，没有完成金，没有完成金，没有完成差分机。差分机。差分机。差分机。18341834年，年，年，年，BabbageBabbage开始在一个功能更开始在一个功能更开始在一个功能更开始在一个功能更强强强强的机器上工作，称的机器上工作，称的机器上工作，称的机器上工作，称为为为为分析机，它分析机，它分析机，它分析机，它被称被称被称被称为为为为第一个通用第一个通用第一个通用第一个通用计计计计算机。在算机。在算机。在算机。在这这这这个个个个时间时间时间时间前的前的前的前的100100年，所要求的精确的

18、机械年，所要求的精确的机械年，所要求的精确的机械年，所要求的精确的机械齿轮齿轮齿轮齿轮，不能在不能在不能在不能在时间时间时间时间上准确的上准确的上准确的上准确的产产产产生，因此没有工作。所以，生，因此没有工作。所以，生，因此没有工作。所以，生，因此没有工作。所以，BabbageBabbage被被被被认为认为认为认为是是是是“计计计计算机之算机之算机之算机之父父父父”。数字系统设计技术发展历史数字系统设计技术发展历史18541854George BooleGeorge Boole，英国，英国，英国，英国逻辑逻辑逻辑逻辑学家和数学家，出版了学家和数学家，出版了学家和数学家，出版了学家和数学家，出版

19、了Investigation of the Law of Thought，给给给给出了出了出了出了逻辑逻辑逻辑逻辑的数学基的数学基的数学基的数学基础础础础。18901890Herman HollerithHerman Hollerith，美国，美国，美国，美国发发发发明家，使用打孔卡片制表用于明家，使用打孔卡片制表用于明家，使用打孔卡片制表用于明家，使用打孔卡片制表用于18901890年的普年的普年的普年的普查查查查。18961896年，他成年，他成年，他成年，他成立了打卡机公司，最立了打卡机公司，最立了打卡机公司，最立了打卡机公司，最终终终终于于于于19241924年演年演年演年演变变变变成

20、了成了成了成了IBMIBM公司。公司。公司。公司。19061906Lee De ForestLee De Forest，美国物理学家，美国物理学家，美国物理学家，美国物理学家，发发发发明了三极管（明了三极管（明了三极管（明了三极管（3 3个个个个电电电电极真空管）。直到极真空管）。直到极真空管）。直到极真空管）。直到19401940年前，年前，年前，年前，这这这这些管子没有用于些管子没有用于些管子没有用于些管子没有用于计计计计算机中。算机中。算机中。算机中。19361936Alan M.TuringAlan M.Turing，英国，英国，英国，英国逻辑逻辑逻辑逻辑学家，学家，学家，学家，发发发

21、发表了一篇表了一篇表了一篇表了一篇论论论论文文文文On Computable NumbersOn Computable Numbers，说说说说明明明明任意的任意的任意的任意的计计计计算都可以使用有限状算都可以使用有限状算都可以使用有限状算都可以使用有限状态态态态机机机机实现实现实现实现。Turing Turing 在第二次世界大在第二次世界大在第二次世界大在第二次世界大战战战战后的，英国早期的后的，英国早期的后的，英国早期的后的，英国早期的计计计计算机研制中扮演了重要的角色。算机研制中扮演了重要的角色。算机研制中扮演了重要的角色。算机研制中扮演了重要的角色。19371937George St

22、ibitzGeorge Stibitz，贝贝贝贝尔尔尔尔电话实验电话实验电话实验电话实验室的一个物理学家，使用室的一个物理学家，使用室的一个物理学家，使用室的一个物理学家，使用继电继电继电继电器建立了二器建立了二器建立了二器建立了二进进进进制制制制电电电电路，能路，能路，能路，能进进进进行加、减、乘和除。行加、减、乘和除。行加、减、乘和除。行加、减、乘和除。19381938Konrad Zuse Konrad Zuse，德国工程，德国工程，德国工程，德国工程师师师师，构建了，构建了，构建了，构建了Z1-Z1-第一个二第一个二第一个二第一个二进进进进制制制制计计计计算机器。算机器。算机器。算机器

23、。19411941年，完成了年，完成了年，完成了年，完成了Z3-Z3-通通通通用的用的用的用的电电电电子机械式子机械式子机械式子机械式计计计计算机器。算机器。算机器。算机器。19381938Claude ShannonClaude Shannon，基于他在，基于他在，基于他在，基于他在MITMIT的的的的硕硕硕硕士士士士论论论论文，文，文，文，发发发发表了表了表了表了A Symbolic Analysis of Relay A Symbolic Analysis of Relay and Switching Circuitsand Switching Circuits，在，在，在，在该该该该著

24、作中，他著作中，他著作中，他著作中，他说说说说明了符号明了符号明了符号明了符号逻辑逻辑逻辑逻辑和二和二和二和二进进进进制数学如何制数学如何制数学如何制数学如何应应应应用到用到用到用到继继继继电电电电器器器器电电电电路中。路中。路中。路中。19421942John V.Atanasoff,John V.Atanasoff,爱爱爱爱荷荷荷荷华华华华州立大学教授，完成了一个州立大学教授，完成了一个州立大学教授，完成了一个州立大学教授，完成了一个简单简单简单简单的的的的电电电电子子子子计计计计算机器。算机器。算机器。算机器。19431943IBM-Harvard Mark I-IBM-Harvard

25、Mark I-一个大的可运行的一个大的可运行的一个大的可运行的一个大的可运行的电电电电子机械式子机械式子机械式子机械式计计计计算器。算器。算器。算器。1944-19451944-1945J.Presper EckertJ.Presper Eckert和和和和John W.MauchlyJohn W.Mauchly，在在在在宾宾宾宾夕法尼夕法尼夕法尼夕法尼亚亚亚亚大学的大学的大学的大学的电电电电气工程摩气工程摩气工程摩气工程摩尔尔尔尔学院，学院，学院，学院，设计设计设计设计和和和和建立了建立了建立了建立了EMIACEMIAC。它是首个全功能的。它是首个全功能的。它是首个全功能的。它是首个全功能的

26、电电电电子子子子电电电电子子子子计计计计算器。算器。算器。算器。数字系统设计技术发展历史数字系统设计技术发展历史19461946John von NeumannJohn von Neumann，ENIACENIAC项项项项目的目的目的目的顾问顾问顾问顾问，在，在，在，在该该该该工程后，写了一个很有影工程后，写了一个很有影工程后，写了一个很有影工程后，写了一个很有影响力的响力的响力的响力的报报报报告，之后，在普林斯告，之后，在普林斯告，之后，在普林斯告，之后，在普林斯顿顿顿顿高等研究院开始他自己的高等研究院开始他自己的高等研究院开始他自己的高等研究院开始他自己的计计计计算机算机算机算机项项项项目

27、。目。目。目。19471947Walter Brattain,John BardeenWalter Brattain,John Bardeen和和和和William SchockleyWilliam Schockley在在在在贝贝贝贝尔尔尔尔实验实验实验实验室室室室发发发发明了明了明了明了晶体管。晶体管。晶体管。晶体管。19481948在英国，在在英国，在在英国，在在英国，在Manchester Mark IManchester Mark I电电电电子子子子计计计计算机上运行第一个存算机上运行第一个存算机上运行第一个存算机上运行第一个存储储储储程序。程序。程序。程序。19511951发发发发布

28、布布布-第一个商第一个商第一个商第一个商业业业业制造的制造的制造的制造的计计计计算机，算机，算机，算机，Ferranti Mark IFerranti Mark I和和和和UNIVACUNIVAC。19531953IBMIBM发发发发布了一个布了一个布了一个布了一个电电电电子子子子计计计计算机算机算机算机-701-701。19581958Kack kilbyKack kilby，德州，德州，德州，德州仪仪仪仪器公司的一名工程器公司的一名工程器公司的一名工程器公司的一名工程师师师师，建立一个可移相的振，建立一个可移相的振，建立一个可移相的振，建立一个可移相的振荡荡荡荡器，作器，作器，作器，作为为

29、为为第一个集成第一个集成第一个集成第一个集成电电电电路（路（路（路（Integrated Circuit,ICIntegrated Circuit,IC）。）。）。）。19591959Robert Noyce,1958Robert Noyce,1958年所建立的仙童半年所建立的仙童半年所建立的仙童半年所建立的仙童半导导导导体公司体公司体公司体公司联联联联合合合合创创创创始人，生始人，生始人，生始人，生产产产产了第一了第一了第一了第一个集成个集成个集成个集成电电电电路平面工路平面工路平面工路平面工艺艺艺艺。这导这导这导这导致致致致实际实际实际实际大大大大规规规规模的生模的生模的生模的生产产产产可

30、靠的集成可靠的集成可靠的集成可靠的集成电电电电路。路。路。路。19681968年，年，年，年，NoyceNoyce成立了成立了成立了成立了IntelIntel公司。公司。公司。公司。19631963数字数字数字数字设备设备设备设备公司公司公司公司DECDEC生生生生产产产产了首个小型了首个小型了首个小型了首个小型计计计计算机。算机。算机。算机。19641964IBMIBM生生生生产产产产了了了了System/360System/360系列系列系列系列电脑电脑电脑电脑主机。主机。主机。主机。数字系统设计技术发展历史数字系统设计技术发展历史19651965 在在在在电电电电子子子子杂杂杂杂志上，志

31、上，志上，志上，Gordon MooreGordon Moore预测预测预测预测一个集成芯片上的元件数量在每一年翻一个集成芯片上的元件数量在每一年翻一个集成芯片上的元件数量在每一年翻一个集成芯片上的元件数量在每一年翻一倍。一倍。一倍。一倍。这这这这就是著名的就是著名的就是著名的就是著名的“摩摩摩摩尔尔尔尔定律定律定律定律”。在。在。在。在19751975年，修改年，修改年，修改年，修改该该该该定律，每两年翻一倍。定律，每两年翻一倍。定律，每两年翻一倍。定律，每两年翻一倍。19691969IBMIBM的研究人的研究人的研究人的研究人员员员员开开开开发发发发了第一个了第一个了第一个了第一个片上可片

32、上可片上可片上可编编编编程程程程逻辑阵逻辑阵逻辑阵逻辑阵列（列（列（列（Programmable logic Programmable logic array,PLAarray,PLA）。）。）。）。19711971Marcian E.Hoff,Jr.Marcian E.Hoff,Jr.，IntelIntel公司的工程公司的工程公司的工程公司的工程师师师师，发发发发明了明了明了明了第一个微第一个微第一个微第一个微处处处处理器理器理器理器。19751975IntersilIntersil生生生生产产产产了第一片了第一片了第一片了第一片现场现场现场现场可可可可编编编编程程程程逻辑阵逻辑阵逻辑阵逻辑

33、阵列（列（列（列（Field Programmable logic array,Field Programmable logic array,FPLAFPLA）。）。）。）。19781978单单单单片存片存片存片存储储储储器引入了可器引入了可器引入了可器引入了可编编编编程程程程阵阵阵阵列列列列逻辑逻辑逻辑逻辑（Programmable Array LogicProgrammable Array Logic，PLAPLA）。）。）。）。19811981IBMIBM个人个人个人个人电脑诞电脑诞电脑诞电脑诞生。生。生。生。美国国防部开始开美国国防部开始开美国国防部开始开美国国防部开始开发发发发VHD

34、LVHDL。VHDLVHDL中的中的中的中的V V表示表示表示表示VHSIC(Very High Speed VHSIC(Very High Speed Integrated CircuitIntegrated Circuit，超高速集成，超高速集成，超高速集成，超高速集成电电电电路路路路)，HDLHDL代表（代表（代表（代表（Hardware Description Hardware Description Language,HDLLanguage,HDL）.19831983IntermetricIntermetric，IBMIBM和和和和TITI授授授授权权权权开开开开发发发发VHDLVH

35、DL。19841984XilinxXilinx成立，并成立，并成立，并成立，并发发发发明了明了明了明了现场现场现场现场可可可可编编编编程程程程门阵门阵门阵门阵列（列（列（列（Field Programmable Gate Array,Field Programmable Gate Array,FPGAFPGA）。）。）。）。GatewayGateway设计设计设计设计自自自自动动动动化公司，引入了硬件描述化公司，引入了硬件描述化公司，引入了硬件描述化公司，引入了硬件描述语语语语言言言言VerilogVerilog。19871987VHDLVHDL成成成成为为为为IEEEIEEE标标标标准（准（

36、准（准（IEEE 1076IEEE 1076）。）。）。）。19901990Cadence Design SystemCadence Design System收收收收购购购购VerilogVerilog。19951995VerilogVerilog成成成成为为为为IEEEIEEE标标标标准。准。准。准。摩尔定律-“统治半导体世界的法则”在在19651965年戈登年戈登.摩尔给出了世界上著名的摩尔给出了世界上著名的“摩尔定摩尔定律律”，并且于，并且于19751975年进行了修正，在过去的年进行了修正，在过去的3535年以年以来，被证明是非常正确的。来，被证明是非常正确的。该定律的内容是：集成电

37、路上可容纳的晶体管数该定律的内容是：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔目，约每隔1818个月便会增加一倍，性能也将提升一个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电倍，当价格不变时；或者说，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔脑性能，将每隔1818个月翻两倍以上。这一定律成为半个月翻两倍以上。这一定律成为半导体工艺不断发展的指南。导体工艺不断发展的指南。摩尔定律-“统治半导体世界的法则”图图1.1 摩尔定律与集成电路的发展趋势摩尔定律与集成电路的发展趋势数字系统设计技术发展历史数字系统设计技术发展历史 今天你们每个人都离不开一样东西今天你们每个人都离不开一样东

38、西-“-“电脑电脑”，也就，也就是是“微处理器微处理器”，但是以后在坐的各位，你们会发现，但是以后在坐的各位，你们会发现你们也离不开另一样东西你们也离不开另一样东西-“-“可编程逻辑器件可编程逻辑器件”，我这，我这门课程所介绍的东西。门课程所介绍的东西。你们也一定很好奇，别着急，听我后面慢慢介你们也一定很好奇，别着急，听我后面慢慢介绍。绍。现代数字系统设计发展阶段 现在数字系统设计的发展是随着计算机的出现在数字系统设计的发展是随着计算机的出现、集成电路制造水平和电子系统设计方法的发展现、集成电路制造水平和电子系统设计方法的发展而不断发展的，主要经历了：而不断发展的，主要经历了：计算机辅助设计计

39、算机辅助设计(CAD,ComputerCAD,Computer Assist Design)Assist Design)计算机辅助工程设计计算机辅助工程设计(CAE,ComputerCAE,Computer Assist Engineering)Assist Engineering)电子设计自动化电子设计自动化(EDA,ElectronicEDA,Electronic Design Automation)Design Automation)这几个阶段的特点和标志是什么？这几个阶段的特点和标志是什么？集成电路芯片的发展历史集成电路芯片的发展历史集成电路的发展分为了四个主要的阶段：集成电路的发展分

40、为了四个主要的阶段：1 1）在上世纪六十年代早期出现了第一片集成电路，）在上世纪六十年代早期出现了第一片集成电路，其集成的晶体管数量少于其集成的晶体管数量少于100100个，该集成电路称为小规个，该集成电路称为小规模集成电路模集成电路（Small-Scale Integrated Circuit,SSISmall-Scale Integrated Circuit,SSI）。2 2）在上世纪六十年代后期出现了中规模集成电路）在上世纪六十年代后期出现了中规模集成电路（Medium-Scale Integrated Circuit,MSIMedium-Scale Integrated Circuit

41、,MSI）,其集成的其集成的晶体管数量达到几百个。晶体管数量达到几百个。3 3）在上世纪）在上世纪7070年代中期，出现了大规模集成电路年代中期，出现了大规模集成电路（Large-Scale Integrated Circuit,LSILarge-Scale Integrated Circuit,LSI），），其集成的晶其集成的晶体管数量达到几千个。体管数量达到几千个。集成电路芯片的发展历史集成电路芯片的发展历史 4 4）在上世纪）在上世纪8080年代早期，出现了超大规模集成电路年代早期，出现了超大规模集成电路（Very-large-scale-integrated,VLSIVery-larg

42、e-scale-integrated,VLSI），其集成的晶体管），其集成的晶体管的数量超过了的数量超过了100,000100,000个。个。到上世纪到上世纪8080年代后期，集成的晶体管数量超过了年代后期，集成的晶体管数量超过了1,000,0001,000,000个。个。到上世纪到上世纪9090年代，集成的晶体管数量超过了年代，集成的晶体管数量超过了10,000,00010,000,000，而到了而到了20042004年，这一数量已经超过了年，这一数量已经超过了100,000,000100,000,000个。个。现在这一数量突破现在这一数量突破1,000,000,0001,000,000,0

43、00个。个。可编程逻辑器件的发展历史可编程逻辑器件的发展历史 1 1第第1 1阶段阶段 上世纪上世纪7070年代，可编程器件只有简单的可编程只读年代，可编程器件只有简单的可编程只读存储器（存储器（PROMPROM）、紫外线可擦除只读存储器）、紫外线可擦除只读存储器（EPROMEPROM）和电可擦只读存储器（）和电可擦只读存储器（EEPROMEEPROM）3 3种，种，由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。能。可编程逻辑器件的发展历史可编程逻辑器件的发展历史 2 2第第2 2阶段阶段 上世纪上世纪8080年代，出现了结构上稍微复杂的可编程年代

44、，出现了结构上稍微复杂的可编程阵列逻辑阵列逻辑（PALPAL）和通用阵列逻辑和通用阵列逻辑（GALGAL）器件，器件，正式被称为正式被称为PLDPLD，能够完成各种逻辑运算功能。，能够完成各种逻辑运算功能。可编程逻辑器件的发展历史可编程逻辑器件的发展历史 3 3第第3 3阶段阶段 上世纪上世纪9090年代，年代，XilinxXilinx和和AlteraAltera分别推出了与标准门分别推出了与标准门阵列类似的阵列类似的FPGAFPGA和类似于和类似于PALPAL结构的扩展性结构的扩展性CPLDCPLD。4.4.第第4 4阶段阶段 本世纪初，在该阶段出现了本世纪初，在该阶段出现了SOPCSOPC

45、技术，是技术，是PLDPLD和和ASICASIC技术融合的结果。可编程逻辑器件厂商也提供了技术融合的结果。可编程逻辑器件厂商也提供了SOPCSOPC解决方案。解决方案。典型的，典型的，XilinxXilinx和和AlteraAltera也推出了相应也推出了相应SOPC FPGASOPC FPGA产品，制造工艺达到产品，制造工艺达到65nm/40nm/28nm65nm/40nm/28nm工艺水平，系工艺水平，系统门数也超过百万门。统门数也超过百万门。数字系统设计方法概论数字系统设计方法概论 传统的数字系统的设计方法是画出逻辑图，这个图传统的数字系统的设计方法是画出逻辑图，这个图包含包含SSISS

46、I的门和的门和MSIMSI的逻辑功能，然后人工通过真值表和的逻辑功能，然后人工通过真值表和通过卡诺图进行化简，得到最小的表达式，然后在基于通过卡诺图进行化简，得到最小的表达式，然后在基于TTLTTL的的LSILSI芯片上实现数字逻辑的功能。芯片上实现数字逻辑的功能。数字系统设计方法概论数字系统设计方法概论 然而从图然而从图1.11.1可以看出，到了上世纪可以看出，到了上世纪8080年代后期和年代后期和9090年代早期，这种设计方法遭遇了阻力。为什么呢？年代早期，这种设计方法遭遇了阻力。为什么呢？问题就是如何能画一个原理图，这个原理图包含成千问题就是如何能画一个原理图，这个原理图包含成千上万个门

47、。正如在新的设计中可编程逻辑设备取代上万个门。正如在新的设计中可编程逻辑设备取代TTLTTL芯芯片那样，需要一种新的设计方法来设计数字电路。片那样，需要一种新的设计方法来设计数字电路。今天，计算机辅助设计工具（今天，计算机辅助设计工具（Computer-aided Tools,Computer-aided Tools,CADCAD），也称为），也称为EDAEDA工具在当今的数字电路设计中是必须工具在当今的数字电路设计中是必须的。的。数字系统设计方法概论数字系统设计方法概论 在过去数十年越来越清楚的表明，今天的数字系统在过去数十年越来越清楚的表明，今天的数字系统的设计人员是通过写软件来设计数字电

48、路的。这是最的设计人员是通过写软件来设计数字电路的。这是最重要的例子，说明了从传统数字系统设计方法向现代重要的例子，说明了从传统数字系统设计方法向现代的基于的基于EDAEDA工具的设计方法的转变工具的设计方法的转变。数字系统设计方法概论数字系统设计方法概论 今天的数字系统设计工程师使用硬件描述语言今天的数字系统设计工程师使用硬件描述语言（Hardware Description Language,HDLHardware Description Language,HDL）来设计数字系）来设计数字系统。统。最广泛使用的最广泛使用的HDLHDL语言是语言是VHDLVHDL和和Verilog HDLV

49、erilog HDL。这。这些语言允许设计人员通过写程序描述逻辑电路的行为来些语言允许设计人员通过写程序描述逻辑电路的行为来设计数字系统。设计数字系统。程序能用来仿真电路的操作和在程序能用来仿真电路的操作和在CPLDCPLD、FPGAFPGA或者专或者专用集成电路用集成电路ASICASIC上综合出一个真正的实现。上综合出一个真正的实现。SOP和POS表达式 术语术语“乘积乘积”和和“和和”来自数学，用来描述与（来自数学，用来描述与（ANDAND）和或（和或（OROR）逻辑操作。）逻辑操作。“乘积乘积”定义为多个变量之间的定义为多个变量之间的ANDAND关系。关系。“和和”定义为任意数量逻辑变量

50、的定义为任意数量逻辑变量的OROR关系。关系。任何逻辑系统能用两种逻辑等效的方法表示，即积任何逻辑系统能用两种逻辑等效的方法表示，即积之和（之和（Sum of Product,SOPSum of Product,SOP）形式和和之积）形式和和之积(Product of(Product of Sum,POS)Sum,POS)形式形式。SOP表达式 对于真值表的每一列，能生成一个乘积项，称为最对于真值表的每一列，能生成一个乘积项，称为最小项。小项。最小项通过对输入变量相关的值最小项通过对输入变量相关的值“相与相与”AND”AND得到。得到。如果真值表特定的一行的变量值为如果真值表特定的一行的变量值

51、为1 1，则包含变量的名，则包含变量的名字，比如字，比如x x。如果真值表特定的一行的变量值为。如果真值表特定的一行的变量值为0 0，则，则包含变量名字的取反，比如包含变量名字的取反，比如xx SOP表达式 x yx y最小最小项项0 00 0m0=x&ym0=x&y0 10 1m1=x&ym1=x&y1 01 0m2=x&ym2=x&y1 11 1m3=x&ym3=x&y SOP表达式 x yx yz z0 00 00 00 10 11 m1=x&y1 m1=x&y1 01 01 m2=x&y1 m2=x&y1 11 10 0 如果关心输出为1的行，可以发现当m1或者m2为真时，输出z为真。

52、因此，可以写z，通过简单的OR上最小项（这些最小项输出为1）。输出z可以表示为：z=m1|m2=(x&y)|(x&y)SOP表达式 POS表达式 现在关注的不是真值表输出为现在关注的不是真值表输出为1 1的行，而是关注的的行，而是关注的是真值表输出为是真值表输出为0 0的行。如图的行。如图1.41.4所示。所示。POS表达式 注意在这种情况下注意在这种情况下z z是非是非NOTNOT最小项最小项 m0 m0和非最小和非最小项项m3m3，从前面的最小项的定义，使用德摩根，从前面的最小项的定义，使用德摩根De De MorganMorgan定理，得到：定理，得到：NOT m0=m0=(x&y)=(

53、x|y)=x|y NOT m0=m0=(x&y)=(x|y)=x|y 称称NOT m0NOT m0为最大项为最大项M0M0。POS表达式x yx y最小最小项项最大最大项项0 00 0m0=x&ym0=x&yM0=m0=x|yM0=m0=x|y0 10 1m1=x&ym1=x&yM1=m1=x|yM1=m1=x|y1 01 0m2=x&ym2=x&yM2=m2=x|yM2=m2=x|y1 11 1m3=x&ym3=x&yM3=m3=x|yM3=m3=x|y得到z的POS表达式为：z=M0&M3=(x|y)&(x|y)POS表达式传统数字系统设计流程 传统的数字系统设计基于传统的数字系统设计基于

54、传统的传统的“人工人工”方式完成，当方式完成，当设计目标给定后，给出设计设计目标给定后，给出设计目标的真值表描述，然后使目标的真值表描述，然后使用卡诺图对真值表进行化用卡诺图对真值表进行化简，得到最小的表达式，然简，得到最小的表达式，然后使用后使用TTLTTL的的LSILSI电路实现最电路实现最小的表达式，最后使用调试小的表达式，最后使用调试工具和仪器，对系统进行调工具和仪器，对系统进行调试。试。传统数字系统设计流程 下面将通过一个例子来说明这个下面将通过一个例子来说明这个传统的设计过程。传统的设计过程。1 1）设计目标：在一个共阳极的）设计目标：在一个共阳极的7 7段段数码管上显示相对应的数

55、码管上显示相对应的0-F0-F的值。的值。2 2）设计目标的真值表描述：图）设计目标的真值表描述：图1.21.2首先给出了七段数码管的符号表示，当首先给出了七段数码管的符号表示，当其是共阳极时，只有相应的段给低电平其是共阳极时，只有相应的段给低电平00时，该段亮，否则灭。时，该段亮，否则灭。传统数字系统设计流程x3 x2 x1 x0 x3 x2 x1 x0a b c d e f ga b c d e f gx3 x2 x1 x0 x3 x2 x1 x0a b c d e f ga b c d e f g0 0 0 00 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 11 0 0

56、01 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 00 0 0 10 0 0 11 0 0 1 1 1 11 0 0 1 1 1 11 0 0 11 0 0 10 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 00 0 1 00 0 1 00 0 1 0 0 1 00 0 1 0 0 1 01 0 1 01 0 1 00 0 0 1 0 0 00 0 0 1 0 0 00 0 1 10 0 1 10 0 0 0 1 1 00 0 0 0 1 1 01 0 1 11 0 1 11 1 0 0 0 0 01 1 0 0 0 0 00 1 0 00 1 0 01 0 0 1 1 0

57、01 0 0 1 1 0 01 1 0 01 1 0 00 1 1 0 0 0 10 1 1 0 0 0 10 1 0 10 1 0 10 1 0 0 1 0 00 1 0 0 1 0 01 1 0 11 1 0 11 0 0 0 0 1 01 0 0 0 0 1 00 1 1 00 1 1 00 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 01 1 1 01 1 1 00 1 1 0 0 0 00 1 1 0 0 0 00 1 1 10 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 0 1 1 1 11 1 1 11 1 1 10 1 1 1 0 0 00 1 1 1 0 0 0传统数字系统

58、设计流程 3 3）使用卡诺图对真值表进行化简，图）使用卡诺图对真值表进行化简，图 1.3 1.3给出对于给出对于7 7段数码管段数码管e e段的卡诺图化段的卡诺图化 简过程。简过程。得到得到e e段的最简单的逻辑表达式：段的最简单的逻辑表达式：e=x3&x0|x3&x2&x1|x2&x1&x0e=x3&x0|x3&x2&x1|x2&x1&x0。按照步骤按照步骤3 3的过程分别得到的过程分别得到a,b,c,d,f,ga,b,c,d,f,g的最简逻辑表达的最简逻辑表达式，这些最简表达式使用积之和（式，这些最简表达式使用积之和（Sum of Product,Sum of Product,SOPSOP

59、）和和之积）和和之积(Product of Sum,POS)(Product of Sum,POS)表示。表示。传统数字系统设计流程 4 4）使用相应的）使用相应的TTLTTL门电路来实现各段的最小表门电路来实现各段的最小表达式。达式。5 5）将这些门电路连接到）将这些门电路连接到7 7段数码管的各段，并段数码管的各段，并进行调试。进行调试。传统数字系统设计流程 从上面的流程可以看出，所有的过程都需要人工完从上面的流程可以看出，所有的过程都需要人工完成，试想对于一个包含上百个逻辑门的多输入变量的结成，试想对于一个包含上百个逻辑门的多输入变量的结构，根本无法使用人工化简卡诺图实现。同时后续的电构

60、，根本无法使用人工化简卡诺图实现。同时后续的电路调试和设计也需要很高的电路布局和布线的技巧，总路调试和设计也需要很高的电路布局和布线的技巧，总而言之，这样的设计对于复杂数字系统来讲效率太低而言之，这样的设计对于复杂数字系统来讲效率太低了。了。我们需要进一步考虑的问题是，如何使用计算机帮我们需要进一步考虑的问题是，如何使用计算机帮助设计者简化设计过程，自动地化简卡诺图，并且在芯助设计者简化设计过程，自动地化简卡诺图，并且在芯片内部自动实现布局布线。要实现这些要求，就必须使片内部自动实现布局布线。要实现这些要求，就必须使用基于可编程逻辑器件的现代数字系统设计流程。用基于可编程逻辑器件的现代数字系统

61、设计流程。计算机最小化技术 从前面的数字系统设计流程中，可以看出使用卡诺从前面的数字系统设计流程中，可以看出使用卡诺图很容易在不超过图很容易在不超过4 4个逻辑变量的布尔函数中找到最少数个逻辑变量的布尔函数中找到最少数目的乘积项。目的乘积项。然而许多的实际问题是，多于然而许多的实际问题是，多于4 4个逻辑变量，并且卡个逻辑变量，并且卡诺图并不能帮助进行逻辑表达式的化简。诺图并不能帮助进行逻辑表达式的化简。计算机软件程序能够帮助对多于计算机软件程序能够帮助对多于4 4个逻辑变量的布尔个逻辑变量的布尔函数进行简化。这些计算机方法使用基于表格的技术。函数进行简化。这些计算机方法使用基于表格的技术。这

62、些方法能自动的用机器进行计算。了解这些方法的工这些方法能自动的用机器进行计算。了解这些方法的工作原理，将提供额外的智慧来简化布尔函数。作原理，将提供额外的智慧来简化布尔函数。在本节所介绍的方法叫做在本节所介绍的方法叫做“奎因奎因-麦克斯基（麦克斯基（Quine-Quine-McCluskeyMcCluskey）”方法。还有其它算法比这个算法的化简速方法。还有其它算法比这个算法的化简速度更快，但是不能保证生成最优化的化简。度更快，但是不能保证生成最优化的化简。计算机最小化技术-表格表示 以乘积和形式出现的乘积项，这个乘积项用于表示以乘积和形式出现的乘积项，这个乘积项用于表示布尔函数，称之为蕴含项

63、。这是由于它暗示，如果任何布尔函数，称之为蕴含项。这是由于它暗示，如果任何乘积项为乘积项为1 1时，函数将为时，函数将为1 1。比如，对于这个函数：。比如，对于这个函数：f=x&y&z|x&z|x&y f=x&y&z|x&z|x&y 其中：其中：x&y&zx&y&z，x&zx&z和和x&yx&y三个乘积项称为三个乘积项称为蕴含项。在这种情况下，第一个乘积项是最小项蕴含项。在这种情况下，第一个乘积项是最小项m5m5。如。如果最小项果最小项5 5用二进制数表示为用二进制数表示为101101，这三个二进制数字分，这三个二进制数字分别对应三个变量别对应三个变量xyz(xyz(其中其中1 1对应的是变量

64、的真值，对应的是变量的真值，0()0()对对应的是变量的假值应的是变量的假值)。这样。这样101101是是x&y&zx&y&z的另一种描述的另一种描述方式。方式。计算机最小化技术-表格表示 如果在一个乘积项中不包含一些变量时，插入一个如果在一个乘积项中不包含一些变量时，插入一个破折号破折号“-”“-”表示该变量，比如对于表示该变量，比如对于x&zx&z表示为表示为0-00-0，x x&y&y表示为表示为01-01-。因此称这这些为表格表示或者表格形式的乘积项。因此称这这些为表格表示或者表格形式的乘积项。计算机最小化技术-表格表示 下面例子对图下面例子对图1.41.4的卡罗图用表格表示。该例子中

65、在的卡罗图用表格表示。该例子中在4 4个圈起来输出为个圈起来输出为11的每个乘积项使用了表格进行表示。的每个乘积项使用了表格进行表示。这样很容易对每个圈起来的集合的卡罗图符号得到表格这样很容易对每个圈起来的集合的卡罗图符号得到表格的表示。表格中最开始的两位是行标号，后两位是列标的表示。表格中最开始的两位是行标号，后两位是列标号。如果圈起来的集合覆盖一个特殊位位置的号。如果圈起来的集合覆盖一个特殊位位置的00和和11，该位位置变成该位位置变成-。计算机最小化技术-表格表示 通过扩展卡诺图中所圈通过扩展卡诺图中所圈1 1的集合来产生乘积项是可的集合来产生乘积项是可能的。比如，任意扩展它将覆盖图中的

66、能的。比如，任意扩展它将覆盖图中的0 0，然后产生，然后产生乘积项或者蕴含项，叫做本源蕴含项。这样的本源蕴乘积项或者蕴含项，叫做本源蕴含项。这样的本源蕴含项中不能从乘积项中去除变量，并且暗含着逻辑功含项中不能从乘积项中去除变量，并且暗含着逻辑功能。下面将研究如何通过计算机找到这些本源蕴含项能。下面将研究如何通过计算机找到这些本源蕴含项的方法。的方法。计算机最小化技术-本源蕴含项 该图中包含两个本源蕴含项x和y&z，其表格表示为1-和-10。下面将给出找到本源蕴含项的方法。计算机最小化技术-本源蕴含项 1.如表1.3所示下面首先列出函数中所有的最小项。这些最小项以递增的顺序排列。在第一栏中划了一条线用来区分最小项里有1个1，两个1和3个1.计算机最小化技术-本源蕴含项 下一步将比较第一栏中的每个最小项，方法是每个最下一步将比较第一栏中的每个最小项，方法是每个最小项和该栏中其它最小项进行比较，这个最小项和其它最小项和该栏中其它最小项进行比较，这个最小项和其它最小项只相差一个数字位。由于以递增的顺序排列最小项，小项只相差一个数字位。由于以递增的顺序排列最小项，因此比较相邻区域的最小项（用线分