什么是數(shù)字電路?新手如何快速學習數(shù)字電路基礎(chǔ)？

什么是數(shù)字電路

用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進行算術(shù)運算和邏輯運算的電路稱為數(shù)字電路，或數(shù)字系統(tǒng)。由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱數(shù)字邏輯電路?，F(xiàn)代的數(shù)字電路由半導體工藝制成的若干數(shù)字集成器件構(gòu)造而成。邏輯門是數(shù)字邏輯電路的基本單元。存儲器是用來存儲二進制數(shù)據(jù)的數(shù)字電路。從整體上看，數(shù)字電路可以分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。

 

學習數(shù)字電路的重要性

隨著社會的進步和科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)和數(shù)字設(shè)備已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷完善使得數(shù)字電路在現(xiàn)代電子系統(tǒng)的比重越來越大，數(shù)字電路建立了根本是信號的數(shù)字處理，這門學科現(xiàn)在發(fā)展的很快，隨之，數(shù)字電路的設(shè)計理念也日新月異，可以說現(xiàn)在設(shè)備之間的競爭很大程度上就是其數(shù)字處理能力的抗衡，是數(shù)電工程師在推動系統(tǒng)的變遷，他們是系統(tǒng)的核心競爭力量。

現(xiàn)在的超大規(guī)模集成芯片已經(jīng)向系統(tǒng)級芯片的方向發(fā)展，F(xiàn)PGA(Field Programmable Gate Array即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點) 已經(jīng)可以達到ASIC(ApplicaTIon Specific Intergrated Circuits即專用集成電路，是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計、制造的集成電路) 的水平(如XILINX的V2 pro)，所以工程師們有了更大發(fā)揮空間。說句半玩笑的話，一旦實現(xiàn)軟件無線電，模電的工程師就可以下崗了。因而電子信息技術(shù)、計算機技術(shù)以及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的工程師和技術(shù)人員必須掌握數(shù)字系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識。挑戰(zhàn)和機遇并存，作為當代大學生和有志青年，儲備知識、培養(yǎng)能力是當務(wù)之急，因此學好數(shù)字電子技術(shù)是非常必要的。

 

數(shù)字電路的特點

1、同時具有算術(shù)運算和邏輯運算功能

數(shù)字電路是以二進制邏輯代數(shù)為數(shù)學基礎(chǔ)，使用二進制數(shù)字信號，既能進行算術(shù)運算又能方便地進行邏輯運算(與、或、非、判斷、比較、處理等)，因此極其適合于運算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等應(yīng)用。

2、實現(xiàn)簡單，系統(tǒng)可靠

以二進制作為基礎(chǔ)的數(shù)字邏輯電路，可靠性較強。電源電壓的小的波動對其沒有影響，溫度和工藝偏差對其工作的可靠性影響也比模擬電路小得多。

3、集成度高，功能實現(xiàn)容易

集成度高，體積小，功耗低是數(shù)字電路突出的優(yōu)點之一。電路的設(shè)計、維修、維護靈活方便，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字邏輯電路的集成度越來越高，集成電路塊的功能隨著小規(guī)模集成電路(SSI)、中規(guī)模集成電路(MSI)、大規(guī)模集成電路(LSI)、超大規(guī)模集成電路(VLSI)的發(fā)展也從元件級、器件級、部件級、板卡級上升到系統(tǒng)級。電路的設(shè)計組成只需采用一些標準的集成電路塊單元連接而成。對于非標準的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過編程的方法實現(xiàn)任意的邏輯功能。

 

數(shù)字電路的優(yōu)點

1、穩(wěn)定性好

數(shù)字電路不像模擬電路那樣易受噪聲的干擾。

2、可靠性高

數(shù)字電路中只需分辨出信號的有與無，故電路的組件參數(shù)，可以允許有較大的變化(漂移)范圍。

3、可長期存儲

數(shù)字信息可以利用某種媒介，如磁帶、磁盤、光盤等進行長時期的存儲。

4、便于計算機處理

數(shù)字信號的輸出除了具有直觀、準確的優(yōu)點外，最主要的還是便于利用電子計算機來進行信息的處理。

5、便于高度集成化

由于數(shù)字電路中基本單元電路的結(jié)構(gòu)比較簡單，而且又允許組件有較大的分散性，這就使我們不僅可把眾多的基本單元做在同一塊硅片上，同時又能達到大批量生產(chǎn)所需要的良率。

 

數(shù)字電路的學習方法

數(shù)字電路所需的先修課程是電路分析基礎(chǔ)和模擬電路，后續(xù)課程是微機原理、微型計算機、接口技術(shù)等。

數(shù)字電路在研究的對象和方法上都跟模擬電路有很大的不同，表1把它們作了一個簡單的對比。

 

顯然，模擬電路和數(shù)字電路的差異是很大的，初學者應(yīng)當在學習方法上作一些改變，以適應(yīng)數(shù)字電路的特點，才能取得良好的效果。

1、在數(shù)字電路中，所有的變量都歸結(jié)為0和1兩個對立的狀態(tài)。通常，我們只需關(guān)心信號的有或無，電平的高或低，開關(guān)的通或斷，等等，而不必理會某個變量的詳細數(shù)值。比如電平幅值的微小變化就可能毫無意義。

2、數(shù)字電路的研究方法以邏輯代數(shù)(又稱布爾代數(shù))作為數(shù)學基礎(chǔ)。它主要研究輸入，輸出變量之間的邏輯關(guān)系，并建立了一套邏輯函數(shù)運算及化簡的方法。布爾代數(shù)又稱雙值代數(shù)，由于其變量取值只有0和1兩種可能，比之模擬電路，數(shù)字電路中沒有復(fù)雜的計算問題。

3、由于數(shù)字集成電路技術(shù)的高度發(fā)展，數(shù)字電路更鮮明地體現(xiàn)了管路合一的特點。初學者應(yīng)充分注意這一特點。一般來說，學習電路結(jié)構(gòu)不是我們的目的，目的是掌握電路功能。

數(shù)字電路學習要點

1、數(shù)字電路基礎(chǔ)

要知道：數(shù)字信號中的1和0所表示的廣泛含義，十進制數(shù)二進制數(shù)十六進制數(shù)的表示方法和相互之間的轉(zhuǎn)換方法;8421bcd碼的表示方法及其與十進制數(shù)的轉(zhuǎn)換方法，邏輯函數(shù)邏輯變量邏輯狀態(tài)的含義，與或非所表示的邏輯事件邏輯函數(shù)真值表的含義及表示規(guī)律和方法。

會寫出：邏輯與、或、非、與非、或非、與或非、異或、同或等的邏輯表達式，真值表、邏輯符號及其規(guī)律;邏輯函數(shù)式、真值表及其邏輯圖三者之間的轉(zhuǎn)化，負邏輯符號的邏輯式。 會使用：邏輯代數(shù)化簡邏輯函數(shù)式;最小項及其編號表示邏輯函數(shù)式，卡諾圖化簡邏輯函數(shù)式。

2、集成邏輯門電路

要知道：邏輯電路高電平低電平與正負邏輯狀態(tài)的關(guān)系。cmos反相器閾值電壓uth的含義與所表示的性能。邏輯符號控制端符號上非號、小圓圈含義及其門電路上小圓圈符號含義的區(qū)別。三態(tài)門使能控制的作用及輸出高阻的含義。

會畫出：od門oc門傳輸門三態(tài)門的邏輯符號。與門、或門、非門、與非門、或非門輸入波形所對應(yīng)的輸出波形。

會使用：oc門od門傳輸門三態(tài)門的功能。 會處理：cmos集成邏輯電路的存放和焊接的措施，各種門電路空余的輸入端，各種門電路系列間的接口。

3、組合邏輯電路

要知道：組合邏輯電路的特點，組合邏輯電路的分析步驟和設(shè)計步驟，編碼器譯碼器數(shù)據(jù)分配器和數(shù)據(jù)選擇器的含義。

會分析：用邏輯函數(shù)化簡表達式、真值表描述的組合邏輯電路的邏輯功能。

會設(shè)計：根據(jù)邏輯事件設(shè)定輸入和輸出變量及其邏輯狀態(tài)的含義，根據(jù)因果關(guān)系列出真值表，寫出邏輯函數(shù)式并進行化簡后的邏輯圖。

會使用：用功能表表示的各種中規(guī)模集成器件的編碼器、優(yōu)先編碼器、譯碼器、數(shù)碼顯示七段譯碼管、數(shù)據(jù)選擇器的引腳功能。

4、集成觸發(fā)器

要知道：觸發(fā)器的工作特點、基本rs觸發(fā)器功能、同步觸發(fā)器特點、脈沖邊沿觸發(fā)器工作的特點，t和t’觸發(fā)器的功能。

會畫出：與非門、或非門組成基本rs觸發(fā)器的電路及邏輯符號圖，上升邊沿觸發(fā)的d觸發(fā)器、下邊沿觸發(fā)的jk觸發(fā)器和邏輯符號圖及其輸出波形圖，用jk和d觸發(fā)器構(gòu)成t’觸發(fā)器的連線圖。

會寫出：rs觸發(fā)器，d觸發(fā)器，jk觸發(fā)器的狀態(tài)方程式。

會背出：jk觸發(fā)器的輸出q的狀態(tài)在cp下降沿作用下與輸入jk狀態(tài)下的關(guān)系。

會使用：集成觸發(fā)器的直接置位，復(fù)位端sd、rd的狀態(tài)在各種情況下的設(shè)置方法。

 

5、時序邏輯電路

要知道：時序邏輯電路的工作特點、同步時序邏輯電路的分析方法， 寄存器和移位存儲器及計數(shù)器的功能，同步和異步的含義。

會使用：由功能表所反映的雙向移位寄存器、各種類型各種型號中規(guī)模集成設(shè)計器引腳功能、異步和同步清零或置數(shù)。

會畫出：用反饋清零、反饋置數(shù)方法在異步或同步情況下的n進制計數(shù)器電路連線。

6、脈沖電路

要知道：微分積分電路功能;555定時器各引腳功能、閾值輸入端及輸出端電壓的邏輯規(guī)律;單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器三種電路的基本功能。 會選用：實現(xiàn)脈寬定時，延時控制脈沖，脈寬調(diào)制、波形變換、整形、聲響電源、時鐘脈沖、標準時基脈沖信號等功能的電路結(jié)構(gòu)類型。 會識別：各類結(jié)構(gòu)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器對輸入觸發(fā)脈寬的要求和有效觸發(fā)的沿口類型。

會畫出：施密特觸發(fā)器的波形變換或整形的輸出波形。

會計算：各類結(jié)構(gòu)觸發(fā)器的輸出脈寬、各類結(jié)構(gòu)多諧振蕩器的振蕩頻率。

7、半導體存儲器

要知道：只讀存儲器(rom)和隨機存儲器(ram)的邏輯功能和兩者性能的區(qū)別，存儲器地址譯碼器的功能，地址輸入線與字線w下標i數(shù)值的關(guān)系，字線位線存儲單元的區(qū)別。

prom的三種類型及其工作性能的區(qū)別，ram中兩類存儲單元結(jié)構(gòu)的區(qū)別。

會計算：半導體存儲器的存儲容量。

會畫出：ram存儲容量字擴展和位擴展的電路連線。

8、數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

要知道：數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能、r~2r倒t形電阻網(wǎng)路dac輸入數(shù)字量與輸出電壓關(guān)系式;數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣保持量化和編碼含義、v~t型雙積分式和逐次逼近型兩種ad轉(zhuǎn)換器的基本工作原理和特點。

會計算：用電壓值表示不同位數(shù)的adc或dac的分辨率和允許最大誤差。

9、數(shù)字電路與模擬電路學習中的區(qū)別

數(shù)字電路所需的先修課程是電路分析基礎(chǔ)和模擬電路，后續(xù)課程是微機原理、微型計算機、接口技術(shù)等。

 

學習數(shù)字電路的注意事項

1、注重掌握基本概念、基本原理、基本分析和設(shè)計方法

數(shù)字電子技術(shù)發(fā)展很快，各種用途的電路千變?nèi)f化，但它們具有共同的特點，所包含的基本原理和基本分析和設(shè)計方法是相通的。我們要學習的不是各種電路的簡單羅列，不是死記硬背各種電路，而是要掌握它們的基本概念、基本原理、基本分析與設(shè)計方法。只有這樣才能對給出的任何一種電路進行分析，或者根據(jù)要求設(shè)計出滿足實際需要的數(shù)字電路。

2、抓重點，注重掌握功能部件的外特性

數(shù)字集成電路的種類很多，各種電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及內(nèi)部工作過程千差萬別，特別是大規(guī)模集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。學習這些電路時，不可能也沒有必要一一記住它們，主要是了解電路結(jié)構(gòu)特點及工作原理，重點掌握它們的外部特性(主要是輸入和輸出之間的邏輯功能)和使用方法，并能在此基礎(chǔ)上正確地利用各類電路完成滿足實際需要的邏輯設(shè)計。

3、注意歸納總結(jié)

數(shù)字集成電路的應(yīng)用廣泛，學好數(shù)字電子技術(shù)課程需要掌握一些典型電路，因為這些典型電路是構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)的部件。掌握它們包括了解它們的功能、結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用背景，并注意總結(jié)歸納，掌握其本質(zhì)。例如，譯碼器和數(shù)據(jù)選擇器都可以實現(xiàn)邏輯函數(shù)，但兩者的區(qū)別是，一個n位二進制輸入端的譯碼器，只能用于產(chǎn)生變量數(shù)不大于n的組合邏輯函數(shù)，它可以附加門電路，實現(xiàn)多個輸出的組合邏輯電路二一個n個地址輸人端的數(shù)據(jù)選擇器，可以實現(xiàn)變量數(shù)為n+1的邏輯函數(shù)。由于數(shù)據(jù)選擇器只有一個輸出端，所以只能實現(xiàn)單個輸出的邏輯函數(shù)。

4、注意理論聯(lián)系實際

電子技術(shù)基礎(chǔ)課程學習的最終落腳點是對實際電路的分析和設(shè)計。經(jīng)過理論分析和計算得到 的設(shè)計結(jié)果還必須搭建實際電路進行測試，以檢驗是否滿足設(shè)計要求。由于電子器件的電氣特性具有分散性，理論設(shè)計出的電路在實際中也會出現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象。例如用實驗驗證計數(shù)器74161和一些門構(gòu)成的六十進制計數(shù)譯碼顯示電路。一些同學的理論設(shè)計和線路連接均沒有問題，但實驗中出現(xiàn)了由競爭冒險產(chǎn)生的錯誤計數(shù)，此時只要在反饋門的輸出端與地之間接一個小電容。即可消除競爭冒險。

5、注意新技術(shù)的學習

電子技術(shù)的發(fā)展是以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)的，新的器件層出不窮，舊的器件隨時被淘汰。因此教材中出現(xiàn)的集成電路芯片有可能已不生產(chǎn)，要用發(fā)展的觀點使用教材。

 

真值表/卡諾圖

1.建立時間和保持時間

Setup time， Tsu 建立時間 在時鐘沿到來之前數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間，如果建立的時間不滿足，那么數(shù)據(jù)將不能在這個時鐘上升沿被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器

Hold time， Th 保持時間 時鐘沿到來之后數(shù)據(jù)穩(wěn)定不變的時間，如果保持時間不滿足，那么數(shù)據(jù)同樣也不能被穩(wěn)定的打入觸發(fā)器

Clock-to-Output Delay，Tco 數(shù)據(jù)輸出延遲，輸出響應(yīng)時間 當時鐘有效沿變化后，數(shù)據(jù)從輸入端到輸出端的最小時間間隔。

觸發(fā)器輸出的響應(yīng)時間，也就是觸發(fā)器的輸出在clk時鐘上升沿到來之后多長的時間內(nèi)發(fā)生變化，也即觸發(fā)器的輸出延時。

數(shù)據(jù)到達時間Tda：

數(shù)據(jù)建立時間Tsu:

建立時間裕量(Setup Slack):

保持時間裕量(hold slack):

上述時序關(guān)系也解釋了為什么時鐘頻率過快或者數(shù)據(jù)延時太大，都會導致錯誤的時序。(與STA靜態(tài)時序分析有關(guān))

2.施密特觸發(fā)器

當輸入電壓高于正向閾值電壓，輸出為高;當輸入電壓低于負向閾值電壓，輸出為低;當輸入在正負向閾值電壓之間，輸出不改變。

這種雙閾值動作被稱為遲滯現(xiàn)象，表明施密特觸發(fā)器有記憶性。

施密特觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。例如將三角波、正弦波等變成矩形波。

3.格雷碼

任意兩個相鄰的碼字只有一位二進制數(shù)不同。

可以使裝置做數(shù)字步進時只改動最少的位元數(shù)以降低誤碼率。

4.鎖存器(latch)和觸發(fā)器(flip-flop)

都是時序邏輯(輸出不但與當前輸入有關(guān)還和上一次的輸出有關(guān))

Latch是電平觸發(fā)，輸出同所有輸入信號有關(guān)，輸入信號變化，latch就變化;

Flip-flop受時鐘控制，只有在時鐘觸發(fā)時才采樣當前輸入，產(chǎn)生輸出。

區(qū)別：latch沒有時鐘端，無法做到同步，輸出容易產(chǎn)生毛刺;如果用門電路來搭建，latch消耗的門資源比ff要少。

觸發(fā)器的電路圖由邏輯門組合而成，其結(jié)構(gòu)均由R-S鎖存器派生而來。

在R-S鎖存器的前面加一個由兩個與門和一個非門構(gòu)成的附加電路，則構(gòu)成D觸發(fā)器。

為什么需要觸發(fā)器：觸發(fā)器能保存數(shù)據(jù)，保存電路狀態(tài);觸發(fā)器是在時鐘邊沿觸發(fā)，用時鐘同步是讓整個電路能同步整齊劃一的工作;乘法器的計算部分是組合邏輯，不需要觸發(fā)器，計算后的結(jié)果可以用觸發(fā)器保存起來。

5.阻塞賦值(=)和非阻塞賦值(<=)

在同一個always塊中，阻塞賦值先計算RHS表達式，不允許其他verilog語句干擾，然后賦值給LHS，才允許其他賦值語句執(zhí)行。(其后的賦值語句是在前一句賦值語句結(jié)束后再開始賦值的)

非阻塞賦值開始時計算RHS的表達式，同時就更新LHS，賦值結(jié)束時停止更新。(也可以理解為一直在計算RHS，最后時刻更新LHS)這個過程中，其他verilog語句都能同時操作。

注意：

1.非阻塞賦值只能對寄存器變量賦值(reg)，只能在initial和always塊中。

2.時序電路/鎖存器 建模——非阻塞賦值

用always塊建立組合邏輯電路——阻塞賦值

在同一個always塊建立時序和組合邏輯電路——非阻塞賦值

3.在一個always塊中不要既用阻塞由用非阻塞;不要在一個以上always塊中對同一個變量賦值

6.同步電路與異步電路

這里指的是時序電路。

組合邏輯電路：任意時刻的輸出僅僅取決于該時刻的輸入，與電路原來的狀態(tài)無關(guān)。

時序邏輯電路：任意時刻的輸出不僅取決于當時的輸入，還取決于電路原來的狀態(tài)。(具有記憶功能)

根據(jù)各級觸發(fā)器時鐘端的連接方式可以將時序電路分為同步/異步。

同步時序電路所有操作都是在同一時鐘嚴格的控制下步調(diào)一致地完成的。

異步時序電路，不存在單一的主控時鐘，主要是用于產(chǎn)生地址譯碼器、FIFO和異步RAM的讀寫控制信號脈沖。

關(guān)于延時：

異步電路的延時：buffer或者兩級非門

同步電路的延時：大的延時：計數(shù)器;小的延時：D觸發(fā)器打節(jié)拍

7.跨時鐘域數(shù)據(jù)交換

進行同步處理。

單bit數(shù)據(jù)：打兩拍(兩級并不能完全消除亞穩(wěn)態(tài)危害，但是大大減少其發(fā)生概率)

多bit數(shù)據(jù)：異步FIFO(或雙口RAM)(以某個時鐘讀，在以某個時鐘寫，空/滿標志是關(guān)鍵)

多位數(shù)據(jù)也可以采用保持寄存器加握手信號的方法(多數(shù)據(jù)，控制信號，地址信號)

8.關(guān)于亞穩(wěn)態(tài)

原因：在FPGA系統(tǒng)中，如果數(shù)據(jù)傳輸中不滿足觸發(fā)器的Tsu和Th，或者復(fù)位過程中復(fù)位信號的釋放相對于有效時鐘沿的恢復(fù)時間(recovery time)不滿足，就可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，此時觸發(fā)器輸出端Q在有效時鐘沿之后比較長的一段時間處于不確定的狀態(tài)，在這段時間里Q端在0和1之間處于振蕩狀態(tài)，而不是等于數(shù)據(jù)輸入端D的值。這段時間稱為決斷時間(resolution time)。經(jīng)過resolution time之后Q端將穩(wěn)定到0或1上，但是穩(wěn)定到0或者1，是隨機的，與輸入沒有必然的關(guān)系。

只要系統(tǒng)中有異步元件，亞穩(wěn)態(tài)就無法避免

1.數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)在目的寄存器Tsu-Th時間窗口發(fā)生變化

2.異步復(fù)位：異步復(fù)位信號的撤銷時間在Trecovery(恢復(fù)時間)和Tremoval(移除時間)之內(nèi)

3.同步復(fù)位：輸入端Din為高電平，而且復(fù)位信號的撤銷時間在clk的Tsu和Th內(nèi)時候

常用FPGA器件的Tsu+Th約等于1ns，復(fù)位移除和恢復(fù)時間相加約等于1ns。

亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生概率 = (建立時間 + 保持時間)/ 采集時鐘周期

——>

(1) 降低系統(tǒng)工作時鐘，增大系統(tǒng)周期，亞穩(wěn)態(tài)概率就會減小;

(2) 采用工藝更好的FPGA，也就是Tsu和Th時間較小的FPGA器件;

解決方法：

1.降低系統(tǒng)時鐘頻率

2.用反應(yīng)更快的FF(Tsu和Th時間較小)

3.對異步信號進行同步處理:

多級D觸發(fā)器級聯(lián)：大部分資料都說的是第一級寄存器產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)后，第二級寄存器穩(wěn)定輸出概率為90%，第三極寄存器穩(wěn)定輸出的概率為99%(一般就搞個兩級);

采用FIFO對跨時鐘域數(shù)據(jù)通信進行緩沖;

4.對復(fù)位電路采用異步復(fù)位、同步釋放方式處理。

最終用sys_rst_n做系統(tǒng)的復(fù)位信號

5.改善時鐘質(zhì)量，用邊沿變化快速的時鐘信號

9.靜態(tài)功耗與動態(tài)功耗

靜態(tài)：晶體管狀態(tài)穩(wěn)定不變時的功耗(漏電流導致)

動態(tài)：晶體管開關(guān)狀態(tài)變化(電路翻轉(zhuǎn))產(chǎn)生的功耗(大頭 70%~90%)

10.同步復(fù)位和異步復(fù)位

也可能綜合出：

優(yōu)點：保證信號同步;綜合為更小的觸發(fā)器;復(fù)位時時鐘可以過濾毛刺

使用同步復(fù)位可能使綜合工具無法分辨分辨復(fù)位信號和其他控制信號，導致進行復(fù)位的控制邏輯遠離觸發(fā)器：

不好的：

優(yōu)點：復(fù)位路徑上沒有延時;綜合工具能自動推斷出異步復(fù)位而不必加入任何綜合指令

異步復(fù)位的同步釋放：

11.補碼

在計算機系統(tǒng)中，數(shù)值一律用補碼來表示和存儲。原因在于，使用補碼，可以將符號位和數(shù)值域統(tǒng)一處理;同時，加法和減法也可以統(tǒng)一處理。此外，補碼與原碼相互轉(zhuǎn)換，其運算過程是相同的，不需要額外的硬件電路。

12.低功耗設(shè)計(系統(tǒng)問題)

設(shè)計層次越高，功耗改善的程度越大：

工藝級

版圖和晶體管級

PTL級和邏輯級

系統(tǒng)級

RTL級：

時鐘是大頭：門控時鐘：無計算任務(wù)的部分時鐘停下

預(yù)計算技術(shù)：在一定的輸入條件下，使所有或部分輸入寄存器的負載無效，從而降低功耗

邏輯優(yōu)化：減少信號的翻轉(zhuǎn)

組合邏輯優(yōu)化：提取重復(fù)出現(xiàn)表達式、表達式替換、選擇性消除節(jié)點

路徑平衡：幾個輸入通過不同的路徑到達同一個門，要想辦法使各個路徑差不多長

系統(tǒng)級：

軟硬件劃分

指令級優(yōu)化

電源管理

cache低功耗設(shè)計

總線低功耗設(shè)計

總線信號編碼，減少翻轉(zhuǎn) 例如格雷碼

算法的優(yōu)化，包括流水線設(shè)計，并行設(shè)計

13.狀態(tài)機

以幾何圖形的方式描述時序邏輯的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。

分類：

Moore：輸出(下一狀態(tài))只與當前狀態(tài)有關(guān)

Mealy：輸出不僅與當前狀態(tài)有關(guān)，還與當前輸入有關(guān)

狀態(tài)編碼：

二進制編碼、 格雷碼 (Gray) 、獨熱碼 (one-hot) 、自定義編碼。

在小設(shè)計中可以考慮使用 Gray 碼或 one-hot。大設(shè)計中，不擔心邏輯資源不夠的話，可以考慮使用one-hot 編碼以提高速度。至于順序二進制編碼，一般不予考慮。但是要達到最佳性能，需要使用更高級的編碼算法，針對給定的狀態(tài)機進行分析。

描述方法：

兩段式：兩個always模塊，其中一個always模塊采用同步時序的方式描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，而另一個模塊采用組合邏輯的方式判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件、描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律

三段式：

三個 always 模塊，一個 always 模塊采用同步時序的方式描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移，一個采用組合邏輯的方式判斷狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件、描述狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律，第三個 always模塊使用同步時序電路描述每個狀態(tài)的輸出

電梯：

當前狀態(tài)current status——事件event——轉(zhuǎn)移狀態(tài)next status

自動售貨機

14.FPGA內(nèi)部的資源

IOB：可編程輸入輸出單元，芯片與外界電路接口，完成不同電氣特性下對輸入輸出信號的驅(qū)動與匹配要求

CLB：可編程邏輯快，多個Slice和附加邏輯構(gòu)成(Xilinx)，可以實現(xiàn)組合邏輯、時序邏輯、配置成分布式RAM(LUT配置成)

BRAM：塊RAM，靈活，可以配置成單端口RAM，雙端口RAM，F(xiàn)IFO，CAM(內(nèi)容地址存儲器)等，可以根據(jù)需要改變位寬和長度

DCM：數(shù)字時鐘管理模塊，

專用硬核：CPU，乘法器，DSP等

【 存儲資源：Block RAM(一些固定大小的存儲塊，要用就用一整塊，不占用邏輯資源，速度快);分布式RAM(靈活)】

【 可以實現(xiàn)RAM/ROM/CAM 的資源：block ram，flip-flop，LUT 】

15.FPGA開發(fā)流程

個人習慣：分析系統(tǒng)劃分模塊——個子模塊HDL實現(xiàn)——各子模塊前仿真——組成系統(tǒng)功能仿真——邏輯綜合——布局布線——靜態(tài)時序分析——后仿真——上板測試

盡量在底層模塊做邏輯，在高層盡量做例化，頂層模塊只做例化

前仿真：純粹的功能仿真，驗證電路的功能是否符合設(shè)計要求，不考慮電路門延遲與線延遲。

后仿真：綜合后的功能仿真和布局布線后的時序仿真。是指電路已經(jīng)映射到特定的工藝環(huán)境下，綜合考慮電路的路徑延遲與門延遲的影響，驗證電路是否在一定時序條件下滿足設(shè)計構(gòu)想的過程，是否存在時序違規(guī)。(必做)

16.FPGA——乘法器的設(shè)計

常見的有移位相加法，加法樹法，查表法，混合法……

1.移位相加

begin

dout=0;

for(i=0;i

dout=dout+((din_a_buf[i]==1)?(din_b_buf<

end

2.加法樹

上面的設(shè)計中，會產(chǎn)生大量組合邏輯，這就帶來了大量的延遲從而使乘法器的速率受到限制，為了提高速度，可以采用流水線的方法，將組合邏輯分割成一個一個小的組合邏輯，中間加上觸發(fā)器用來鎖存數(shù)據(jù)，這樣就可以大大提高頻率，引入觸發(fā)器僅僅是帶來了延遲而已

begin//流水線實現(xiàn)

din_a_buf<=din_a;

din_b_buf<=din_b;

buf0<=din_b_buf[0]?din_a_buf:0;

buf1<=din_b_buf[1]?din_a_buf<<1:0;

buf2<=din_b_buf[2]?din_a_buf<<2:0;

buf3<=din_b_buf[3]?din_a_buf<<3:0;

buf4<=din_b_buf[4]?din_a_buf<<4:0;

buf5<=din_b_buf[5]?din_a_buf<<5:0;

buf6<=din_b_buf[6]?din_a_buf<<6:0;

buf7<=din_b_buf[7]?din_a_buf<<7:0;

buf01<=buf0+buf1;

buf23<=buf2+buf3;

buf45<=buf4+buf5;

buf67<=buf6+buf7;

buf02<=buf01+buf23;

buf46<=buf45+buf67;

dout<=buf02+buf46;

end

3.查找表

查表法，就是建一個表，里面存放了所有的乘法結(jié)果，乘數(shù)和被乘數(shù)用來作為地址去查找里面的乘積，此種方法可以大大提高乘法的速率，但是當乘法位數(shù)很大時會要求產(chǎn)生很大的表格，所以此種方法適合位數(shù)較小的乘法，特別適合有一個乘數(shù)為固定的乘法，如濾波器中的乘法就可以采用此種方法設(shè)計

【查找表本質(zhì)上是一個RAM，例如4輸入的LUT可以看成有4位地址線的16x1的RAM，使用時輸入地址-查表-輸出】

17.FPGA——除法器的設(shè)計

對于2：長除法： 比較 相減 移位(狀態(tài)機實現(xiàn))

16位 / 8位https://blog.csdn.net/stanary/article/details/77426697

首先被減數(shù)16位在前邊拼接7位0，拼接后不會改變被除數(shù)的大小，而且方便向下操作。拼接后將此23位數(shù)稱為mid。之后取mid的高8位與除數(shù)作比較，若大于除數(shù)，則減去除數(shù)，結(jié)果低位拼接一。若小于除數(shù)，則驗證最高位是不是0，若是則左移一位，結(jié)果拼接0.若不是則用高九位減去除數(shù)，結(jié)果拼接兩個0.然后將差和后15位以及末尾一個0拼接，實現(xiàn)結(jié)果循環(huán)向前。在計算的同時用計數(shù)器計數(shù)來確定運行到的位數(shù)。在進行以上操作，最終得到結(jié)果。

8位 / 8位http://blog.chinaaet.com/justlxy/p/5100052068

將被除數(shù)，擴展成16位的數(shù)據(jù)，低8位為被除數(shù)的值，高八位的值全為0。有開始信號，對16位數(shù)據(jù)data賦值，然后開始運算。比較data的高八位和除數(shù)的值，如果大于0，說明被除數(shù)大，將此時商置1，賦值給data的最低位，然后將被除數(shù)高八位減去除數(shù)。然后將data向左移位一位，繼續(xù)比較。最終計算8次后。Data的高8位數(shù)據(jù)就為所求的余數(shù)，低八位就為所求的商。

或者把除法轉(zhuǎn)換成了查表、乘法和移位：

18.奇數(shù)分頻

19.靜態(tài)時序分析

STA，Static Timing Analysis

靜態(tài)時序分析(STA)告訴我們電路的實際表現(xiàn)如何，而提供約束(SDC文件，對時序的一些要求)來告訴分析工具我們希望電路的表現(xiàn)應(yīng)該是怎樣。

20.競爭與冒險

某一輸入變量經(jīng)過不同的傳播路徑，到達電路某個匯合點的時間有先有后，這種現(xiàn)象叫競爭;

由于競爭使輸出發(fā)生瞬時錯誤的現(xiàn)象叫冒險。

判斷方法：代數(shù)法(布爾表達式中有相反的信號);卡諾圖(有兩個相切的卡諾圈，并且相切處沒有被其他的卡諾圈包圍);實驗法：示波器觀察

解決方法：加濾波電路，消除毛刺;加選通信號，避開毛刺;增加冗余項，消除邏輯冒險