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  • 逻辑设计与FPGA数字集成电路与系统设计简介集成电路发展历程FPGA 数字集成电路与系统设计简介 本课程包含逻辑设计与FPGA实现,后端设计与ASIC实现(研究生阶段课程) 在本阶段我们会学到: VLSI设计与EDA技术 FPGA...

    数字集成电路与系统设计简介


    本课程包含逻辑设计与FPGA实现,后端设计与ASIC实现(研究生阶段课程)
    在本阶段我们会学到:

    • VLSI设计与EDA技术
    • FPGA
    • 硬件描述语言
    • 组合逻辑与运算电路
    • 时序逻辑与状态机
    • 验证与仿真测试

    等一系列相关知识

    注:VLSI(指超大规模集成电路)

    集成电路发展历程


    集成电路(Integrated Circuit)

    是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构

    发展历史:

    • 1947年Shockley等人发明了晶体管(第一只晶体管为锗基)

    集成电路产业链分工:
    设计 制造 封装 测试

    集成电路产业的几种模式及相关企业
    IDM(Integerated Device Manufature)——

    • 集芯片设计,芯片制造,芯片封装和测试等多个产业链环节于一身
    • 早期多数集成电路企业采用的模式
    • 目前仅有极少数企业能够维持

    优势:
    设计,制造等环节协同优化,有利于充分发掘技术潜力;能有条件率先试验并推出新的半导体技术

    劣势:
    公司规模庞大,管理成本较高;运营费用较高,资本回报率偏低
    此类型的企业有:三星,德州仪器(TI)

    Foundary(代工厂)——

    • 只负责生产,封装或测试环节中的一个或几个
    • 不负责芯片设计
    • 可以同时为不同的设计公司提供服务,但受制于公司间的竞争关系

    优势:
    不承担由于设厂调研不准,产品设计缺陷等决策风险;为不同的公司服务,利润相对稳定
    劣势:
    投资规模较大,维持生产线正常运作费用较高
    需要持续投入维持工艺水平,一旦落后追单难度较大
    此类型企业有:SMIC, UMC ,Global Foundary

    Fabless(无工厂芯片供应商)——

    • 只负责设计芯片并销售
    • 将生产,测试,封装环节外包

    优势:
    资产较轻,初始投资规模较小,创业难度相对较小;企业运行费用较低,转型相对灵活
    劣势:
    与IDM相比无法与工艺协同优化,因此难以完成指标严苛的设计;与Foundary相比需要承担各种市场风险,一旦失误后果很严重
    此类型的企业:高通,联发科,博通等

    ARM(芯片设计服务提供商)

    • 不设计芯片
    • 为芯片设计公司提供软件,IP核以及咨询服务等

    优势:
    初始投资小,风险小
    劣势:
    市场规模较小,易形成垄断;技术门槛较高,技术积累时间较长
    此类型的企业:ARM,Imaginnatin,Synopsys等

    数字集成电路的分类
    在这里插入图片描述

    注:ASIC即定制集成电路,是按照用户需要而专门设计制作的集成电路

    在这里插入图片描述

    全定制集成电路:
    是按照预期功能和技术指标而专门设计制成的集成电路,制造周期长,成本高,制成后不易修改,但性能比较理想,芯片面积小,集成度高

    半定制集成电路:
    半定制集成电路的设计分为基于标准单元的设计方法和基于门阵列的设计方法。

    基于标准单元的设计方法是:将预先设计好的、称为标准单元的逻辑单元,如与门、或门、多路开关、触发器等,按照某种特定的规则排列,与预先设计好的大型单元一起组成ASIC。
    基于标准单元的ASIC又称为CBIC(Cell based IC)

    基于门阵列的设计方法是:在预先制定的具有晶体管阵列的基片或母片上通过掩膜互连的方法完成专用集成电路设计。

    数字集成电路与系统的演进过程

    芯片结构 设计方法
    多芯片(多模组) 图形化设计
    专用芯片+处理器 硬件描述语言
    片上系统 IP核重用
    集成微系统 待发展

    在这里插入图片描述
    片上系统(SoC——System of Chip)

    定义:嵌入了一个或多个处理器的ASIC
    意义:支持IP核复用

    FPGA

    1. 逻辑电路的实现形式:
    • 逻辑电路图
    • 逻辑表达式
    • 真值表

    (这三种表达形式在逻辑上完全等价)

    1. FPGA内部结构详细内容

    (可到各公司官网查找相关资料)

    1. FPGA设计工具
      前段仿真与验证工具:
      Modelsim
      VSC
      NC等

      综合,时序分析及实现:
      QuartusII (Altera)
      ISE/Vivado(Xilinx)
      Synplify
      Diamond

    source:电子科技大学-黄乐天-《数字集成电路与系统设计》

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  • 数字集成电路与系统设计(ASIC设计)——电子科技大学,共28章,非常完整,希望可以帮助本科生&研究生进行学习~
  • 数字集成电路电路系统与设计

    千次阅读 2018-09-09 10:48:08
    数字电路设计,是按照层次化的方式进行的。在每一个设计层次上,一个复杂模块的内部细节可以被抽象化并用一个黑盒子或模型来替代。典型的抽象层次:器件、电路、门、功能模块、系统。 这点类似于软件设计,也是...

    数字电路的设计,是按照层次化的方式进行的。在每一个设计层次上,一个复杂模块的内部细节可以被抽象化并用一个黑盒子或模型来替代。典型的抽象层次:器件、电路、门、功能模块、系统。

    这点类似于软件设计,也是采用层次化结构,一个完整的程序由若干个子程序组成,子程序又可以分成模块,模块可以调用函数库,只要了解API的功能,输入输出格式即可,不需要考虑内部的实现方式。就像逻辑门,只需要知道输入与输出的关系,如通过布尔表达式、真值表等,不需要知道内部CMOS电路的组成。

    展开全文
  • 数字集成电路电路系统与设计 是全国最有权威的集成电路教材。
  • 数字集成电路--电路、系统与设计 电子工业出版社第二版 课后题及部分章节答案
  • 数字集成电路与嵌入式内核系统可测试性设计数字集成电路与嵌入式内核系统可测试性设计
  • 本人收藏的Rabaey那本的部分课后习题和答案,不全 本人收藏的Rabaey那本的部分课后习题和答案,不全 本人收藏的Rabaey那本的部分课后习题和答案,不全 本人收藏的Rabaey那本的部分课后习题和答案,不全
  • 数字集成电路--电路、系统与设计(第二版)
  • 数字集成电路与嵌入式内核系统可测试性设计(影印版)
  • 数字电路与系统设计

    2020-02-20 16:16:25
    数字电路与系统设计 基本知识 逻辑代数基础(重要) 集成逻辑门(了解) 组合逻辑电路(重要) 集成触发器 时序逻辑电路 = 时序部件(触发器)+组合逻辑电路(需要2,3两节的内容)...

    数字电路与系统设计

    1. 基本知识

    2. 逻辑代数基础(重要)

    3. 集成逻辑门(了解)

    4. 组合逻辑电路(重要)

    5. 集成触发器

    6. 时序逻辑电路 = 时序部件(触发器)+组合逻辑电路(需要2,3两节的内容)(重要)

    7. 可编程逻辑电路

    8. 综合应用

    基本知识

    数字系统 D:对数字信号进行加工、传递和存储的实体,有实现各种功能的数字逻辑电路相互连接而成。

    模拟信号 A 比如电压,电流的表示 连续值 用波形表示

     

     

     

     

    数字计算机:数字计算机是一种能够自动、高速、精确地完成数值计算、数据加工和控制、管理等功能的数字系统。

     

    宽 数据流向

    单 控制信号

     

    系统总线

    • 数据总线(Data Bus):在CPU与RAM之间来回传送需要处理或是需要储存的数据。

    • 地址总线(Address Bus):用来指定在RAM(Random Access Memory)之中储存的数据的地址。

    • 控制总线(Control Bus):将微处理器控制单元(Control Unit)的信号,传送到周边设备。

     

    进制转换

    https://blog.csdn.net/final__static/article/details/89405945

    十-R

    整数部分和小数部分,分开考虑

    整数部分:除R倒取余

    小数部分:乘R顺取整

     

    R--十

    按权展开,逐项相加,得到结果

     

     

    机器码

    机器码:符号和数值一起编码表示的二进制数

    原码、反码和补码

    原码、反码、补码是计算机中对数字的二进制表示方法。

    原码:将最高位作为符号位(0表示正,1表示负),其它数字位代表数值本身的绝对值的数字表示方式。

    反码:如果是正数,则表示方法和原码一样;如果是负数,符号位不变,其余各位取反,则得到这个数字的反码表示形式。

    补码:如果是整数,则表示方法和原码一样;如果是负数,则将数字的反码加上1(相当于将原码数值位取反然后在最低位加1)。

    示例:

    数值 原码 反码 补码
    6 0000 0110 0000 0110 0000 0110
    -6 1000 0110 1111 1001 1111 1010

    *示例中均为8-bit的整数。它的可表示范围包括-128到127,总共256(=28)个整数。

    *0的反码、补码都为0

    2个5位补码运算后 有进位也要丢掉

    10100(补) 10100 - 1 = 10011(反)——>11100(原)

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  • 本课程设计是《数字集成电路设计》的实践课程,其主要目的是使学生在熟悉集成电路制造技术、半导体器件原理和集成电路分析与设计基础上,训练综合运用已掌握的知识,利用相关软件,初步熟悉和掌握集成电路芯片系统...
  • 第一章 数字电路基础 1.1 数字电路概述 1.1.1 数字电路概述 ...电子管——半导体分离元件——小规模集成电路(SSI)——中规模集成电路(MSI)——大规模集成电路(SSI)——超大规模集成电路(VLSI) 1.1.3 集成电路

    第一章 数字电路基础

    1.1 数字电路概述

    1.1.1 数字电路概述

    数字电路: 用数字信号进行算术运算和逻辑运算的电路,称为数字电路或者数字系统。数字电路具有逻辑运算和逻辑处理功能,又称数字逻辑电路。
    数字信号:时间和幅值的变化是离散的信号。即时间上离散,幅值上整数变化(低电平表示逻辑0,高电平表示逻辑1)。

    1.1.2 数字电路的发展与分类

    电子管——半导体分离元件——小规模集成电路(SSI)——中规模集成电路(MSI)——大规模集成电路(SSI)——超大规模集成电路(VLSI)

    1.1.3 集成电路的材料和工艺

    材料:主要以硅材料为主,也使用化合物半导体材料,如砷化镓等。
    工艺

    1. TTL:晶体管晶体管逻辑
    2. CMOS:互补金属氧化物半导体

    注意:TTL数字逻辑器件问世比较早。随着高速、低功耗CMOS工艺的发展,TTL的主导地位有被CMOS器件取代的趋势

    1.1.4 数字电路的分析方法与测试技术

    1. 数字电路的分析方法
      基本分析方法:
      功能表、真值表、逻辑表达式、波形图等。
      仿真软件: EWB,Quartus II

    2.数字电路的测试方法
    数字万用表、示波器、逻辑分析仪

    问题:
    1. 为什么数字电路又称为开关电路?
    2. 常用哪些仪器进行数字电路的测试?

    1.2 数字系统简介

    进制转换:

    三位二进制数表示一位八进制数;
    四位二进制数表示一位十六进制数

    十进制转化为二进制:整数部分——除二取整;小数部分——乘二取整
    十进制转换成十六(八)进制:
    方法一:
    整数部分——除16(8)取余
    小数部分——乘16(8)取整
    方法二:
    先转成二进制,借助二进制与十六(八)进制的关系。

    BCD编码

    用若干位二进制数码按照一定规律排列起来表示给定信息的过程称为编码。
    二进制表示十进制(BCD——Binary coded Decimal)
    BCD码:用四位二进制表示一位十进制数。

    • 8421 BCD码
      8a3+4a2+2a1+1a0
    • 5421 BCD码
      5a3+4a2+2a1+1a0
    • 余3码(8421BCD+0011)

    在这里插入图片描述

    循环码(格雷码)

    循环码是一种可靠性编码。
    构成特点:对称轴两边最高位对称取反,其余低位对称相等
    循环码的特点:相邻两个码组之间只有一位不同。相邻两个码又称为单位距离码。

    奇/偶编码(*)

    奇/偶编码结构:
    信息位 | 测试位(或者 测试位 | 信息位)
    奇编码:信息位与测试位中,1的个数之和为奇数。
    偶编码:信息位与测试位中,1的个数之和为偶数。

    奇/偶编码的可靠性:
    未加奇/偶测试位前,码组中某一位出错的概率位1/2.
    例如:8421BCD码1001变成1000或0001,不会发现错误。
    加奇/偶测试位后,码组中某一位出错时,奇/偶会改变,这样就能发现错误。
    例如:奇8421BCD码10011变成10001或00011,能发现错误。
    只有当两位同时出错时,原来的奇/偶性不变,这样就不能发现出错。
    例如:奇8421码01011变成10011或01000,不能发现错误。

    带符号数的编码

    数字系统如何表示正负数?
    通常以最高一位作为符号位,0表示正数,1表示负数,其余位为数值位。

    原码

    二进制数的原码表示方法是:符号位+数值位
    e.g: 真值分别为+36和-36,若用8位字长的原码来表示,则可写为:
    [36]原=00100100 [-36]原=10100100

    反码

    正数的反码:与原码相同,符号位+数值位
    负数的反码:符号位为“1”+原码的数值按位取反
    e.g: 真值分别为+36和-36,若用8位字长的反码来表示,则可写为:
    [36]原=00100100       [36]反=00100100
    [-36]原=10100100      [36]反=11011011

    补码

    正数和0的补码:与原码相同,符号位+数值位
    负数的反码:负数的反码+1
    e.g: 真值分别为+36和-36,若用8位字长的补码来表示,则可写为:
    [36]原=00100100       [36]补=00100100
    [-36]原=10100100       [36]反=11011011       [-78]补=11011100

    注意:
    (1) n位字长的二进制原码、反码、补码所表示的十进制数值范围是:
    原码:-(2n-1-1) — +(2n-1 -1)
    反码:-(2n-1-1) — +(2n-1 -1)
    补码:-2n-1 — +(2n-1 -1)(不含-0)

    第二章 逻辑代数基础

    2.1 逻辑代数的三种基本运算

    在这里插入图片描述
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    2.2 逻辑代数的公式和规则

    2.2.1 逻辑代数公式

    在这里插入图片描述

    证明加对乘的分配律:A+BC=(A+B)(A+C)
    证明: 
    	右边![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/20200924085359414.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM3OTU1NzA0,size_16,color_FFFFFF,t_70#pic_center)
    	= AA+AC+BA+BC
    		= A*1+AB+AC+BC
    		= A(1+B+C)+BC
    		= A+BC
    		= 左边
    		得证!
    

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    2.2.2 化简公式

    在这里插入图片描述
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    证:AB+A‘C+BC=AB+A‘C
    	证明:左边 = AB+A'C+(A+A')BC
    			=AB+A'C+ABC+A'BC
    			=AB(1+C)+A'C(1+B)
    			=AB+A'C
    			=右边
    		得证!
    
    证:AB+A'C+BCD=AB+A'C
    	证明:左边 = AB+A'C+(A+A')BCD
    			= AB+ A'C+ABCD+A'BCD
    			= AB(1+CD)+A'C(1+BD)
    			= AB+A'C
    			= 右边
    		得证!
    
    证:(A+B)(A'+C)(B+C) = (A+B)(A'+C)
    	证明:等式两边同时取非,可得
    		[(A+B)(A'+C)(B+C)]' = [(A+B)(A'+C)]'
    		(A+B)'+(A'+C)'+(B+C)' = (A+B)'+(A'+C)'
    		A'B'+AC'+B'C' = A'B'+AC'
    	得证:AB+A'C+BC = AB+A'C    (1)
    	又因为 (1)左边 = AB+A'C+(A+A')BC
    				= AB+A'C+ABC+A'BC
    				= AB(1+C)+A'C(1+B)
    				= AB+A'C
    	得证!
    

    2.2.3 三个重要规则

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    若F=(A+B')[C+(D'+E)']',则试着写出其反函数?
    解:F'=(A'B)+[C'(DE')']'
    

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    2.3 复合逻辑运算和复合门

    2.3.1 常用符合逻辑运算和复合门

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    2.3.2 逻辑门的等效符号

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    2.3.3 集电极开路门和三态逻辑门

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    2.4 逻辑函数表达式的常用形式

    2.4.1 常用形式

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    2.4.2 逻辑函数的两种标准形式

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    2.5 逻辑函数的化简方法

    2.5.1 代数法化简

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    2.5.2 卡诺图化简

    1.卡诺图的构成

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    2.逻辑函数的卡诺图表示法

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    3.卡诺图的合并规律

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    4.卡诺图法化简逻辑函数

    (1) 将函数化简为最简与或式

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    (2) 将函数化简为最简或与式

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    2.5.3 无关项逻辑函数及其化简

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