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數字系統設計
數字系統設計
創建新數字系統的設計流程是業內眾所周知的流程。但是，初學者工程師可能會發現設計復雜的數字系統很困難，尤其是在涉及系統方法和面向團隊的組織時，簡單的臨時技術無效。本文將討論系統的數字系統設計，同時展示數字系統的基本概念，以簡化對技術感興趣的人的過程。
模擬與數字系統
首先，讓我們討論模擬信號和數字信號之間的區別，以便我們了解數字系統的優勢，證明其在當今技術中的廣泛使用是合理的。
模擬信號
模擬信號的幅度值連續分布在電壓或電流范圍內。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，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
數字信號
另一方面，數字信號的幅度離散地分布在有限的值范圍內。在現代系統中，此幅度僅限于兩個級別，對應于邏輯 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：數字信號
數字信號的優勢
從某種意義上說，數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，使用數字信號可以簡化系統的硬件和計算過程。
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，數字信號更容易設計，可以使用相同的硬件以不同的方式進行編程，更經濟、靈活、處理速度更快、更容易設計，并且可以縮小到非常小的集成電路，填充單個芯片數以百萬計的邏輯門。
信號兼容性
數字系統最重要的參數之一是要使用的信號的邏輯電平標準。這很重要，因為系統中的每個組件都應該相互兼容，以確保正常運行。業界主要有五種標準：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。有兩種規格：輸入邏輯電平（VIL、VIH）和輸出邏輯電平（VOL、VOH）。在數字組件中，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。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
數字設計范式
數字系統遠沒有模擬系統那么復雜。然而，這并不意味著設計在現實生活中很容易。對于小型系統，工程師和業余愛好者即使在沒有系統組織的情況下使用“動態”設計方法也可以獲得良好的結果。然而，對于大型系統，尤其是涉及專業團隊的大型系統，忽略良好實踐、分層設計技術以及系統規劃、文檔和溝通變得不切實際。
特設數字設計
Ad hoc設計通常是電路設計的初學者方法。它基本上是“動態設計”范式，其中問題在本地解決并在發現時隔離，而不考慮整個設備。盡管這種技術可以在簡單的電路中工作，但它無法管理復雜的系統，因為針對孤立問題設計的解決方案通常無法系統地產生最佳行為。此外，這種范式很難應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。
分層設計
分層設計包括首先觀察整個項目，然后將其劃分為子模塊。然后單獨設計每個子模塊，并將其視為“黑匣子”。現在，每個問題都可以單獨解決，但是為了兼容性和效率，模塊之間的接口應該按照標準設計。
在基于團隊的設計中，每個模塊可以由不同的人或小組設計。在這個階段，通信是避免兼容性問題的基礎。此外，每個模塊的 I/O 應遵循先前建立的標準，這些標準可能因項目而異。
圖 4：分層設計框圖
Gajski-Kuhn 圖
Gajski-Kuhn Chart 或 Y-Chart 表示數字系統的硬件設計水平和觀點。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。自上而下的設計從較高的抽象級別（系統）到較低的級別（開關）。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，系統圈開始。基本上，它從系統塊的定義開始，根據行為、結構和/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，這些子系統是創建主模塊所必需的。該過程一直持續到設計到達較低級別的塊。這種方法提供了更全面的設計視圖，更容易保持模塊之間的一致性，并更容易專注于設計目標，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，這種方法從設計的基本單元開始，即第一抽象層次的子模塊，即開關。然后從較低到較高的抽象級別執行設計，最終到達主系統塊。這種方法更適用于可用于構建第一個塊的技術有限的情況，并且應首先設計系統的第一個塊以避免達到可用技術無法滿足的規格。
圖 7：自下而上的方法
混合方法：可能是業界最常用的方法。較低級別由可用的半導體技術定義，因此它們是使用自底向上的方法設計的。但同時，更高層次的抽象也是采用自頂向下的方法設計的。最后，兩個設計流程相遇，完成項目。
盡管存在三種不同的視角（行為、結構和幾何），但設計流程可以在此過程中在視角之間切換。例如，自頂向下的設計可以從系統級的行為視角開始，到達寄存器傳輸級時跳轉到結構視角。
數字系統設計步驟
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 之間執行 AND 運算，輸出 2 在輸入 1 和輸入 3 之間執行 OR 運算。”
功能規格
使用邏輯語句創建描述系統行為的函數算法。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的不同模塊，應單獨設計。方塊圖還指定了每個方塊之間的關系。
圖 8：示例數字系統的框圖
結構設計
現在應該使用可用的技術來設計和表示每個塊。例如，微電子電路可用于設計將直接在硅上制造的塊，并且在實現可編程門陣列 (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進行仿真以驗證設計。為此，市場上有多種電子設計自動化 (EDA) 程序。模擬后，可以制造和測試系統以進行實際驗證。