1 电子系统设计基础.docx
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1电子系统设计基础
.1电子系统设计基础
1.1电子系统概述
电子系统分为模拟型、数字型及两者兼而有之的混合型三种，无论哪一种电子系统，它们都是能够完成某种任务的电子设备。
通常把规模较小、功能单一的电子系统称为单元电路,实际应用中的电子系统由若干单元电路构成。
一般的电子系统由输入、输出、信息处理三大部分组成，用来实现对信息的采集处理、变换与传输功能。
图1.1.1为电子系统基本组成方框图。
图1.1.1 电子系统方框图
从系统的角度看,电子系统是能按特定的控制信号，执行所设想的功能，由一组元件（通常是电子元件）联成的一个整体。
这样，很多东西，譬如从单级放大器到最复杂的计算机都可以称为一个电子系统。
我们可以将很多元件集成为一个功能单元，再用若干个功能单元去描述一个系统。
在认识、理解与设计电子系统的过程中，这样的功能单元常常不用给出详细的内部结构，而只需从输入输出特性去描述，这就需要用到黑箱分析法。
黑箱辨识方法是系统科学中的主要方法之一。
人们在从事科学研究时，常常会遇到一些需要认识或控制的系统（称为客体）。
由于种种条件限制，这些客体的内部结构和机理尚不能或不便被直接观察到，仿若一个不透明的密封箱子，将这种客体称为黑箱（B1ackBox）是极其形象的。
所谓黑箱辨识方法，就是通过考察黑箱的输入、输出及其动态过程，而不是通过直接考察其内部结构，来定量地研究黑箱的功能特性、行为方式，从而探索其内部结构和机理。
1.2现代电子设计的特点
人类要改造自然，就要进行设计。
把预定的目标经过一系列规划、分析和决策，产生相应的文字、数据、图形等信息，这就是设计。
然后或通过实践转化为某项工程，或通过制造成为产品。
产品设计过程从本质上是一个创新过程，是将创新构思转化为有竞争力的产品的过程。
从工程的角度来看，设计这个词有两种概念。
广义的概念指的是发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节及达到的目标。
狭义的概念指的是将客观需求转化为满足该需求的技术系统的活动，各种产品包括电子产品的设计即属此种概念。
上世纪60年代以来，人们由工程技术领域总结来的现代设计方法对电子设计工作起到了极大的推动作用。
现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般，具体到抽象，感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。
由于科技进步的速度日益增快，特别是计算机的高速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去长期以来难以想象的综合集成设计计算，使设计工作包括电子产品的设计工作产生了质的飞跃。
现代电子设计主要有下列特点：
1.系统性 2.社会性 3.创造性 4.最优化 5.动态化 6.人性化 7.智能化 8.EDA化
1.3电子系统的设计步骤
电子系统的设计方法，没有一成不变的规定的步骤，它往往与设计者的经验、兴趣、爱好密切相关，为了便于理解，这里把总的设计过程归纳为以下五个技术环节,一般的设计流程如图1.2.1。
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1.4电子系统设计方法
在传统与现代电子系统设计中有如下几中常用的设计方法：
自底向上设计方法：
传统的系统设计采用自底向上的设计方法。
这种设计方法采用“分而治之”的思想，在系统功能划分完成后，利用所选择的元器件进行逻辑电路设计，完成系统各独立功能模块设计，然后将各功能模块按搭积木的方式连接起来构成更大的功能模块，直到构成整个系统，完成系统的硬件设计。
这个过程从系统的最底层开始设计，直至完成顶层设计，因此将这种设计方法称为自底向上的设计方法。
用自底向上设计方法进行系统设计时，整个系统的功能验证要在所有底层模块设计完成之后才能进行，一旦不满足设计要求，所有底层模块可能需要重新设计，延长了设计时间。
自顶向下设计方法：
目前VLSI系统设计中主要采用的方法是自顶向下设计方法，这种设计方法的主要特征是采用综合技术和硬件描述语言，让设计人员用正向的思维方式重点考虑求解的目标问题。
这种采用概念和规则驱动的设计思想从高层次的系统级入手，从最抽象的行为描述开始把设计的主要精力放在系统的构成、功能、验证直至底层的设计上，从而实现设计、测试、工艺的一体化。
当前EDA工具及算法把逻辑综合和物理设计过程结合起来的方式，有高层工具的前向预测（lookahead）能力，较好地支持了自顶向下设计方法在电子系统设计中的应用。
层次式设计方法：
它的基本策略是将一个复杂系统按功能分解成可以独立设计的子系统，子系统设计完成后，将各子系统拼接在一起完成整个系统的设计。
一个复杂的系统分解成子系统进行设计可大大降低设计复杂度。
由于各子系统可以单独设计，因此具有局部性，即各子系统的设计与修改只影响子系统本身，而不会影响其它子系统。
利用层次性，将一个系统划分成若干子系统，然后子系统可以再分解成更小的子系统，重复这一过程，直至子系统的复杂性达到了在细节上可以理解的适当的程度。
模块化是实现层次式设计方法的重要技术途径，模块化是将一个系统划分成一系列的子模块，对这些子模块的功能和物理界面明确地加以定义，模块化可以帮助设计人员阐明或明确解决问题的方法，还可以在模块建立时检查其属性的正确性，因而使系统设计更加简单明了。
将一个系统的设计划分成一系列已定义的模块还有助于进行集体间共同设计，使设计工作能够并行开展，缩短设计时间。
嵌入式设计方法：
现代电子系统的规模越来越复杂，而产品的上市时间（timetomarket）却要求越来越短，即使采用自顶向下设计方法和更好的计算机辅助设计技术，对于一个百万门级规模的应用电子系统，完全从零开始自主设计是难以满足上市时间要求的。
嵌入式设计方法在这种背景下应运而生。
嵌入式设计方法除继续采用自顶向下设计方法和计算机综合技术外，它的最主要的特点是大量知识产权（IntellectualProperty-IP）模块的复用，这种ＩＰ模块可以是RAM、CPU、及数字信号处理器等。
在系统设计中引入IP模块，使得设计者可以只设计实现系统其它功能的部分以及与IP模块的互连部分，从而简化设计，缩短设计时间。
一个复杂的系统通常既包含有硬件，又有软件，因此需要考虑哪些功能用硬件实现，哪些功能用软件实现，这就是硬件/软件协同设计的问题。
硬件/软件协同设计要求硬件和软件同时进行设计，并在设计的各个阶段进行模拟验证，减少设计的反复，缩短设计时间。
硬件/软件协同是将一个嵌入式系统描述划分为硬件和软件模块以满足系统的功耗、面积和速度等约束的过程。
嵌入式系统的规模和复杂度逐渐增长,其发展的另一趋势是系统中软件实现功能增加，并用软件区分不同的产品，增加灵活性、快速响应标准的改变，降低升级费用和缩短产品上市时间。
基于IP的系统芯片（S0C）的设计：
为了解决当前集成电路的设计能力落后于加工技术的发展与集成电路行业的产品更新换代周期短等问题，基于IP的集成电路设计方法应运而生。
IP的基本定义是知识产权模块。
对于集成电路设计师来说，IP则是可以完成特定电路功能的模块，在设计电路时可以将IP看作黑匣子，只需保证IP模块与外部电路的接口，无需关心其内部操作。
这样在设计芯片时所处理的是一个个的模块。
而不是单个的门电路，可以大幅度地降低电路设计的工作量，加快芯片的设计流程。
利用IP还可以使设计师不必了解设计芯片所需要的所有技术，降低了芯片设计的技术难度。
利用IP进行设计的另一好处是消除了不必要的重复劳动。
IP与工业产品不同，复制IP是不需要花费任何代价的，一旦完成了IP的设计，使用的次数越多，则分摊到每个芯片的韧始投资越少，芯片的设计费用也因此会降低。
SOC（SystemonaChip）系统芯片有各种不同的定义方式。
具体到芯片功能来说，SOC芯片意味着在单个芯片上，完成以前需要一个或多个印刷线路板才能够完成的电路功能。
SOC芯片意味着在单芯片上集成一个完整的数据处理系统，其结构是比较复杂的。
SOC芯片的运行需要强大的软件支持，而且芯片的功能会随支持软件的不同而变化，因此在设计芯片的同时需要进行软件编制工作，并非以往单纯的电路设计。
这一特点在增强芯片功能及适用范围的同时增加了芯片的设计与验证难度，在芯片设计的初期需要仔细地进行功能划分，确定芯片的运算结构，并评估系统的性能与代价。
SOC芯片的出现在芯片的优化设计方面也提出了很大的挑战。
芯片的设计需要系统设计人员与软件设计人员的深入参与，在SOC芯片的设计流程中，一般都结合了从顶向下和从底向上设计的特点，与传统的芯片设计相比SOC芯片设计有以下几项主要特点：
①芯片的软件设计与硬件设计同步进行；
②各模块的综合与验证同步进行；
③在综合阶段考虑芯片的布局布线；
④只在没有可利用的硬模块或软宏模块的情况下重新设计模块。
电路设计中的成本控制方法：
优秀的电路实现方案应该是简洁、可靠的。
要以最少的社会劳动消耗获得最大的劳动成果。
这里所说的社会劳动，包括在产品设计、产品生产、产品维护以及元器件的生产中所付出的劳动。
为了控制产品成本，常常采用目标价格反算法，也就是先根据市场调查对相应的技术指标制定目标价格，然后在设计实施中找出影响产品经济指标的关键因素，并采取针对性较强的措施。
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1.5系统设计与系统仿真技术
对于设计开发整机电子产品的工程师来说，新产品的开发总是从系统设计入手。
系统设计的主体工作是将设计任务要求转换成明确的、可实现的功能和技术指标要求，确定可行的技术方案，在系统一级描述系统的功能和技术指标要求。
一般通过系统功能的模块划分来落实系统功能和技术指标的分配，同时确定各功能模块之间的接口关系。
它运用框图与层次的方法自顶向下进行设计。
系统设计通常把系统功能逐步细分，然后从器件、电路和工艺等方面确定技术方案。
随着系统变得复杂和庞大，工程师在系统设计时应该使用EDA工具。
多种系统级设计EDA工具的出现为系统设计师们提供了优越的环境和有力的保障。
自上而下的正向设计是综合和优化的过程，以概念和设想为驱动，经过反复的综合和优化，从而给出可行的设计方案及合适的性能指标。
借助EDA工具，采用“自顶向下”的设计方法，使开发者从一开始就要考虑到产品生产周期的诸多方面,包括质量成本、开发周期等因素。
系统设计与仿真包括这样几个步骤：
第一步，从系统方案设计入手，在顶层进行系统功能划分和结构设计；第二步，用VHDL、Verilog-HDL等硬件描述语言对高层次的系统行为进行描述；第三步，通过编译器形成标准的VHDL文件，并在系统级验证系统功能的设计正确性；第四步，用逻辑综合优化工具生成具体的门级逻辑电路的网络表,这是将高层次的描述转化为硬件电路的关键；第五步，将利用产生的网络表进行适配前的时序仿真;最后系统的物理实现级，它可以是CPLD、FPGA或ASIC。
广义的系统仿真（SystemSimulation），它是通过系统模型的实验去研究一个已经存在的或正在设计中的系统的过程。
是根据被研究的真实系统数学模型，结合所用的计算机建立仿真模型，然后，依据仿真模型在计算机上计算、分析、研究，获得真实系统的定量关系，加深对真实系统的认识和理解，为系统设计、调试或管理提供所需的信息、数据或资料。
系统仿真技术是在数学模型基础上，利用计算机进行实验研究的一种方法。
是建立在系统科学、系统辨识、控制理论与计算机技术上的一门综合性很强的实验科学技术，是分析、综合各类系统的一种研究方法和有力工具。
在常用的EDA软件中Matlab、SystemView、Pspice等适合做信号级的系统仿真，Pspice、ElectronicWorkbench、Protel及各种FPGA开发工具适合做电路级的系统仿真。
信号级系统仿真与电路及系统仿真的工作流程如图1.3.1所示。
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1.6板卡设计与板卡仿真技术
所谓的板卡设计是指根据所设计电子线路在具体应用中的约束条件，把电子线路布置在一块线路板或一块接口卡上，这里的约束包括安装时的几何形状、几何尺寸、电磁兼容性、安全性与可靠性等。
印刷电路板（PrintedCircuitBoard，即PCB）设计是板卡设计中的主要工作，当然由于工艺实现中的限制或为了优化系统的技术经济指标，在电路板设计时又回过来更改电路原理设计的情况也是常有的事。
随着计算机软硬件技术的飞速发展，电路板设计这项费时费力的工作，特别需要计算机CAD技术的帮助。
目前能完成板卡设计与仿真的工具软件有Smartwork、Tango、OrCAD/SDT、PCAD、PADS、Protel、EESYSTEM等。
就其功能而言，可以说是各有千秋。
PCAD、PCADS、EESYSTEM以庞大与功能完整著称，掌握起来也相对困难一些。
Prrotel设计软件则以其简单、易学、实用的特点成为众多的普通电路设计人员的首选工具软件，这里我们也建议初学者以Protel为学习的起点。
这里对Protel作一简介：
作为大众化的电子线路计算机辅助设计软件，由80年代末的Tango到90年代初的Protel，直到当今的Protelforwindows，经历了一个不断升级换代的过程。
Tango软件包是美国AccelTechnology公司于80年代末推出的，它由电路原理图设计软件Tango-schematic和印刷电路板设计软件Tango-PCB组成，这两部分软件可以单独使用，也可以组合使用。
由于Tango软件包简单实用，对计算机软硬件的配置要求不高，所以受到广大电子线路设计人员的青睐，曾经是中国大陆最为流行的热门软件之一。
Protel（DOS）是澳大利亚Protel公司于90年代初开发的电子线路辅助设计软件包，该软件继承了Tango简单、实用的优点，并改善了用户界面，提供了下拉式菜单和可定义宏指令热键，支持鼠标操作，并且首次提供了自动布线功能。
因此，可以说Protel是了Tango的第二代产品。
90年代以来，Windows成为举世公认的优秀的操作环境，电子线路设计人员纷纷“移民”于Windows。
在这种情况下，澳大利亚Protel公司不失时机地推出了第三代电子线路辅助设计软件ProtelforWindows。
该软件不仅继承了DOS版本Tango和Protel的全部优点与功能，而且在功能上有了本质的飞跃。
ProtelforWindows包括电路原理图设计软件包（ProtelSchematic）和印刷电路板设计软件包（ProtelPCB）。
在溶入了全局最优化思想之后，ProtelforWindowsPCB自动布局结果已可以直接使用，而对布局较合理的PCB设计来说，自动布线的布通率在99%以上。
电路级设计工作流程如图1.4.1所示，电路板的设计过程大致可以划分为下列几个步骤：
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1.7芯片设计与仿真技术
20世纪90年代初，由于个人电脑、无绳电话和高速数据传输设备的发展需求，电子工业经历了巨大的飞跃。
为了赢得商业上的竞争，生产商的产品迫切需要追求高功能、优品质、低成本、微功耗和微小尺寸封装。
为此，生产商必须采用少量的IC器件和面积尽可能小的PCB板来研制高集成化的复杂系统。
亚微米半导体工艺、PCB表面安装技术的发展支持了产品的集成化程度的进步。
但是，在给定电子设计自动化（EDA）工具的条件下，随着产品上市周期的缩短、设计复杂程度的增加，影响生产商开发的瓶颈问题就是其设计能力，这个状况实际上孕育着对现代设计方法和现代测试方法的普遍需求。
系统的关键电路用一片或几片专用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuits--ASIC）实现，芯片设计必然涉及系统内容，系统设计必须考虑芯片设计，这些专用集成电路是由系统和电路设计师亲自参与设计的，直到完成电路到芯片版图的设计，再交由IC工厂投片生产加工，或者是用高密度可编程逻辑器件通过编程的方式来实现。
高密度可编程逻辑器件可编程逻辑芯片经历了PAL（ProgrammableArrayLogic）、GAL（GenericArrayLogic）、CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）和FPGA（FieldProgrammableGateArray）几个发展阶段。
半导体工艺已经由微米发展到深亚微米，集成度由最初的几十门发展到现在的数百万门。
CPLD和FPGA都是高密度现场可编程逻辑芯片，能够将大量逻辑功能集成于一个单片集成电路中，虽然半定制和全定制的专用集成电路也能够将大量逻辑功能集成于一个单片集成电路中，但CPLD和FPGA具有更多的灵活性：
既适用于批量产品短研制周期、小批量产品开发，也可用于大批量产品的样品研制。
设计人员在实验室通过开发工具就可以制作出自己的芯片，而不用芯片制造商来完成。
同时，因其项目开发所需前期工程费用低的特点，受到应用电子系统开发人员的青睐。
与采用SSI/MSI标准器件构成PCB板级设计相比，CPLD和FPGA具有很大的灵活性，因为SSI/MSI标准器件集成度低，功能有限，灵活性差，构成的PCB板级设计，存在大量芯片间的连线，且要采用各种不同功能的芯片，导致系统可靠性差，费用高，功耗高，体积大，任何逻辑改动必须采用跳线或钻孔的方式，如果PCB板的生产量很大，则必须重新设计，这必然导致前期投资的大大提高，并使产品上市时间推迟，而采用CPLD和FPGA则不同，其PCB板依然可用，无须破坏板上的连线结构，只需修改CPLD和FPGA内部的连接关系就可修改逻辑功能。
与采用微处理器构成的系统相比，CPLD和FPGA也具有明显的优点，因为微处理器系统用软件配置来实现功能，在某些场合下，其速度太低，满足不了要求。
此外，这类系统开发费用高，而且还要用SSI/MSI设计相应的接口电路。
采用不同的技术路线生产的可编程逻辑器件具有不同的结构。
CPLD器件是全局互联的，特有的PIA全局金属互连导线可以作延时预测，易于控制时序逻辑。
而FPGA器件是阵列结构，内部资源是分段互联的，其延时不可预测，只有编程完毕后才能实际测量。
CPLD和FPGA建立内部可编程逻辑连接关系的编程技术有三种：
基于反熔丝技术的器件只允许对器件编程一次，编程后不能修改。
其优点是集成度、工作频率和可靠性都很高，适用于电磁辐射干扰较强的恶劣环境。
基于EEPROM存储器技术的可编程逻辑芯片能够重复编程多次，系统掉电后编程信息也不会丢失。
编程方法分为在编程器上编程和用下载电缆编程。
用下载电缆编程的器件，只要先将器件装焊在印刷电路板上，通过PC、SUN工作站、ATE（自动测试仪）或嵌入式微处理器系统，就能产生标准5V或3.3V或2.5V逻辑电平编程信号，称为ISP（InSystemProgrammable）方式编程，调试和维修也很方便。
基于SRAM技术的器件编程数据存储于器件的RAM区中，使之具有用户设计的功能。
在系统不加电时，编程数据存储在EPROM、硬盘、或软盘中。
系统加电时将这些编程数据即时写入可编程器件，从而实现板级或系统级的动态配置。
这种方式称ICR（InCircuitReconfigurable）。
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1.8电子系统综合设计概述
系统综合是建立在前期分块设计之上的依据约束条件进行的系统优化过程。
电子线路的最优化设计是最优化技术的一个方面。
它利用最优化理论和方法，以电子计算机为手段对电子线路进行综合设计。
以达到缩短设计周期，提高设计质量，获得最大效益的目的。
目前电子线路最优化设计的一般过程可如图1.5所示。
图中所示整个优化设计过程尚不能由计算机全部自动完成。
比如电路结构的拟定和修改，电路元件初值的给定等，还需要由设计者来完成。
因而目前完成—个电子线路的最优设计过程，所用的时间和设计质量与设计者的能力和质量密切相关。
在数学上我们以目标函数作为评价设计性能优劣的标准。
通过调整设计变量使目标函数逐步达到最大或最小，这是优化设计的实质。
不同类型的设计问题有着不同形式的目标函数，即使同一类型的设计也可以建立不同类型的目标函数。
将最优化技术用于电子线路设计，其范围相当广泛。
目前较多地涉及到下述几个方面：
1．直流电路的优化设计；２．交流电路的频域设计；３．灵敏度最小化设计；４．零、极点设计或相平面设计；５．电路的时域优化设计。
其主要设计步骤是，首先根据指标要求和草拟电路确定目标函数；然后对设计目标进行优化。
长期以来，电路（电子线路）设计师们只能根据经验和判断。
采用简单估算方法进行电路的初步设计，然后通过大量的搭试实验和调试，最终完成设计任务。
该过程实质上是一个以实验为主，性能分析、定量估算为辅的设计过程。
电子计算机的问世为电路的设计开辟了一条新的途径，这就电路的优化设计。
电路的优化设计是根据给定设计指标要求，应用专业理论知识和最优化方法，在电子计算机上自动地调整可设计参数，使其获得最佳的设计方案，其一般过程为：
１．根据实际需要，提出需要设计的电路性能指标；２．由设计者提出初始电路的设计方案（选定电路结构、元件类型和初始元件参数、设计容许误差等等）；３．通过对电路的分析，确定目标函数和约束条件；４．利用最优化方法，由计算机实现自动调整电路元件参数（要求设计的元件参数），使目标函数满足容许误差的要求；5．输出设计结果。
电子系统的综合优化设计是在60年代迅速发展起来的一种新的设计方法，目前已广泛用于有源滤波器、数字滤波器、放大器、微波电路、集成电路等各类电路设计中。
1.9专用数字集成电路综合设计概述
模拟或分析的方法是分析验证某一数字系统是否实现了预期的功能，其前提是已有了一个现成的设计方案。
而综合是分析的逆过程，其前提是给定了电路应实现的功能和实现此电路的约束条件（速度、面积、功耗、电路类型等），目标是得到一个满足上述要求的设计方案。
一个电路有各种层次上的描述，一个电路的设计过程实际上就是电路描述从高层次（行为）向低层次（物理实现）转化的过程。
这种转化称之为综合。
集成电路综合技术主要包括3种类型：
高层次综合（High-LevelSynthesis）、逻辑综合（LogicSynthesis）和版图综合（LayoutSynthesis）。
高层次综合负责将系统算法层的行为描述转化为寄存器传输层的结构描述；逻辑综合负责将系统寄存器传输层的结构描述转化为逻辑层的结构描述，以及将逻辑层的结构描述转化为电路层的结构描述；版图综合负责将系统电路层的结构描述转化为版图层的物理描述。
对实现综合功能的EDA工具来说，它要求设计者提供对电路预期功能的行为描述，一般是具有行为描述能力的硬件描述语言．以及对电路的约束条件，包括速度、面积、电路类型（面向ASIC或PPGA）等。
综合的结果是一个设计方案，该方案必须满足预期功能和约束条件的要求，这样的方案可能有多个，综合工具可按一定的算法产生一个最优或较优的结果。
高层次综合和VHDL有着密切的联系。
高层次综合是面向系统的综合方法，VHDL是描述电路的一种硬件描述语言。
首先，高层次综合的对象从抽象意义上说，是一个系统的行为，但具体地说，这个系统行为往往是采用VHDL等硬件描述语言进行表达的：
其次，对高层次综合得到的结果，仍然需要用硬件描述语言（如VHDL）来进行描述。
所以说，高层次综合接受的是硬件描述语言，得到也是硬件描述语言。
高层次综合在技术上是基于硬件描述语言的，只不过前后两个硬件描述语言是在不同的层次上对系
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