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數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計
數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計
創(chuàng)建新數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計流程是業(yè)內(nèi)眾所周知的流程。但是，初學者工程師可能會發(fā)現(xiàn)設(shè)計復雜的數(shù)字系統(tǒng)很困難，尤其是在涉及系統(tǒng)方法和面向團隊的組織時，簡單的臨時技術(shù)無效。本文將討論系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計，同時展示數(shù)字系統(tǒng)的基本概念，以簡化對技術(shù)感興趣的人的過程。
模擬與數(shù)字系統(tǒng)
首先，讓我們討論模擬信號和數(shù)字信號之間的區(qū)別，以便我們了解數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢，證明其在當今技術(shù)中的廣泛使用是合理的。
模擬信號
模擬信號的幅度值連續(xù)分布在電壓或電流范圍內(nèi)。這意味著信號電平可以采用任何值。此外，時間分布也是連續(xù)的，因此在任何給定時間點都有信息。因此，模擬信號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)，無需進一步編碼。然而，模擬信號難以處理和計算。
圖 1：模擬信號
數(shù)字信號
另一方面，數(shù)字信號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，此幅度僅限于兩個級別，對應(yīng)于邏輯 0 和 1。此外，時間是離散的，這意味著信息只能以最小時間間隔的整數(shù)倍變化，稱為時鐘。這允許通過每個時鐘僅進行一次測量來訪問信號中包含的所有信息。
圖 2：數(shù)字信號
數(shù)字信號的優(yōu)勢
從某種意義上說，數(shù)字信號也是模擬信號。不同之處在于信息的存儲方式。因為數(shù)字信號只有兩個電平，我們可以建立一個信息閾值：如果幅度高于閾值，則認為是 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)字信號可以簡化系統(tǒng)的硬件和計算過程。
此外，由于精確的幅度水平不再重要（僅與閾值進行比較），因此信號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)字信號更容易設(shè)計，可以使用相同的硬件以不同的方式進行編程，更經(jīng)濟、靈活、處理速度更快、更容易設(shè)計，并且可以縮小到非常小的集成電路，填充單個芯片數(shù)以百萬計的邏輯門。
信號兼容性
數(shù)字系統(tǒng)最重要的參數(shù)之一是要使用的信號的邏輯電平標準。這很重要，因為系統(tǒng)中的每個組件都應(yīng)該相互兼容，以確保正常運行。業(yè)界主要有五種標準：5 V TTL、5 V CMOS、3.3 V LVTTL、2.5 V CMOS和1.8 V CMOS。
每個標準定義了定義信號邏輯值的電壓幅度。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 時視為零，高于 VIH 時視為一。在輸出中也會發(fā)生同樣的情況，其中低于 VOL 的電壓被認為是零，高于 VOH 的被認為是 1。通常，VOH > VIH 和 VOL < VIL，以確保下一個組件正確解釋一個組件的輸出電壓。
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：幾種標準的電壓等級
數(shù)字設(shè)計范式
數(shù)字系統(tǒng)遠沒有模擬系統(tǒng)那么復雜。然而，這并不意味著設(shè)計在現(xiàn)實生活中很容易。對于小型系統(tǒng)，工程師和業(yè)余愛好者即使在沒有系統(tǒng)組織的情況下使用“動態(tài)”設(shè)計方法也可以獲得良好的結(jié)果。然而，對于大型系統(tǒng)，尤其是涉及專業(yè)團隊的大型系統(tǒng)，忽略良好實踐、分層設(shè)計技術(shù)以及系統(tǒng)規(guī)劃、文檔和溝通變得不切實際。
特設(shè)數(shù)字設(shè)計
Ad hoc設(shè)計通常是電路設(shè)計的初學者方法。它基本上是“動態(tài)設(shè)計”范式，其中問題在本地解決并在發(fā)現(xiàn)時隔離，而不考慮整個設(shè)備。盡管這種技術(shù)可以在簡單的電路中工作，但它無法管理復雜的系統(tǒng)，因為針對孤立問題設(shè)計的解決方案通常無法系統(tǒng)地產(chǎn)生最佳行為。此外，這種范式很難應(yīng)用于基于團隊的項目，因為模塊之間的通信和兼容性是不切實際的。
分層設(shè)計
分層設(shè)計包括首先觀察整個項目，然后將其劃分為子模塊。然后單獨設(shè)計每個子模塊，并將其視為“黑匣子”。現(xiàn)在，每個問題都可以單獨解決，但是為了兼容性和效率，模塊之間的接口應(yīng)該按照標準設(shè)計。
在基于團隊的設(shè)計中，每個模塊可以由不同的人或小組設(shè)計。在這個階段，通信是避免兼容性問題的基礎(chǔ)。此外，每個模塊的 I/O 應(yīng)遵循先前建立的標準，這些標準可能因項目而異。
圖 4：分層設(shè)計框圖
Gajski-Kuhn 圖
Gajski-Kuhn Chart 或 Y-Chart 表示數(shù)字系統(tǒng)的硬件設(shè)計水平和觀點。它由五個層次（由圓圈表示）和三個視角（由箭頭表示）組成。每個圓圈描述一個抽象級別，每個箭頭描述一種查看電路的方式。抽象級別沿箭頭方向增加。
圖 5：Gajski-Kuhn 圖
在級別上下文中，電路設(shè)計可以采用兩種方法：自頂向下方法和自底向上方法。自上而下的設(shè)計從較高的抽象級別（系統(tǒng)）到較低的級別（開關(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)圈開始。基本上，它從系統(tǒng)塊的定義開始，根據(jù)行為、結(jié)構(gòu)和/或幾何形狀對其進行定義和描述。然后，從下一個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。該過程一直持續(xù)到設(shè)計到達較低級別的塊。這種方法提供了更全面的設(shè)計視圖，更容易保持模塊之間的一致性，并更容易專注于設(shè)計目標，這在主要塊中進行了描述。
圖 6：自上而下的方法
自下而上：另一方面，這種方法從設(shè)計的基本單元開始，即第一抽象層次的子模塊，即開關(guān)。然后從較低到較高的抽象級別執(zhí)行設(shè)計，最終到達主系統(tǒng)塊。這種方法更適用于可用于構(gòu)建第一個塊的技術(shù)有限的情況，并且應(yīng)首先設(shè)計系統(tǒng)的第一個塊以避免達到可用技術(shù)無法滿足的規(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。較低級別由可用的半導體技術(shù)定義，因此它們是使用自底向上的方法設(shè)計的。但同時，更高層次的抽象也是采用自頂向下的方法設(shè)計的。最后，兩個設(shè)計流程相遇，完成項目。
盡管存在三種不同的視角（行為、結(jié)構(gòu)和幾何），但設(shè)計流程可以在此過程中在視角之間切換。例如，自頂向下的設(shè)計可以從系統(tǒng)級的行為視角開始，到達寄存器傳輸級時跳轉(zhuǎn)到結(jié)構(gòu)視角。
數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計步驟
問題定義
問題必須用一句話或幾句話來定義，讓團隊中的每個人都清楚項目的目標。例如：
“設(shè)計一個接受三個輸入并提供兩個輸出的邏輯端口：輸出 1 在輸入 1 和輸入 2 之間執(zhí)行 AND 運算，輸出 2 在輸入 1 和輸入 3 之間執(zhí)行 OR 運算。”
功能規(guī)格
使用邏輯語句創(chuàng)建描述系統(tǒng)行為的函數(shù)算法。在我們的簡單示例中：
OUT1 = IN1 和 IN2
OUT2 = IN1 或 IN3
框圖
使用塊符號來描述信號流，因此每個塊是整個系統(tǒng)的不同模塊，應(yīng)單獨設(shè)計。方塊圖還指定了每個方塊之間的關(guān)系。
圖 8：示例數(shù)字系統(tǒng)的框圖
結(jié)構(gòu)設(shè)計
現(xiàn)在應(yīng)該使用可用的技術(shù)來設(shè)計和表示每個塊。例如，微電子電路可用于設(shè)計將直接在硅上制造的塊，并且在實現(xiàn)可編程門陣列 (PGA) 時可以使用硬件描述語言。為了簡化電路表示，中等規(guī)模集成 (MSI) 塊，例如多路復用器和編碼器。
模擬和測試
最后，可以對每個模塊和整個系統(tǒng)進行仿真以驗證設(shè)計。為此，市場上有多種電子設(shè)計自動化 (EDA) 程序。模擬后，可以制造和測試系統(tǒng)以進行實際驗證。