EECS152ComputerArchitectureandEngineeringLec01[0003].ppt

1、1,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,数字系统设计Digital System Design,王维东Weidong Wang 浙江大学信息与电子工程学院College of Information Science & Electronic Engineering信息与通信工程研究所Zhejiang University,2,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,任课教师,王维东浙江大学信息与电子工程学院, 信电楼306邮箱：College of Information Science & Electronic EngineeringZhejiang Universi

2、ty, Hangzhou, 310027Tel: 86-571-87953170 (O)Mobile: 13605812196,TA:陈 彬彬 Binbin CHEN, 13071888906; ；陈 佳云 Jiayun CHEN，13161700140; ;Office Hours：玉泉信电楼 308室（可以微信或邮件联系）.,Prerequisites预修课程,电子电路基础电子线路C语言How to learn this Course?Not only listening, thinking and waiting .But Exercise, Simulation, Practice!,

3、课程简介,课程代码：111C0120参考书阎石, 数字电子技术基础, 第6版, 高等教育出版社, 2016.王金明著，数字系统设计与Verilog HDL，电子工业出版社，第6版补充讲义/期中考试前预备Stanford 大学 108A课程notes.R.H.Katz, G.Borriello, Contemporary Logic Design, second edition,电子工业出版社, 2005.M.M.Mano, 数字设计(第四版), 电子工业出版社, 2010.http:/ 2017 ZDMC Lec. #1,Other Course Info,Website:http:/ 85-

4、671C0050-0001042-898: 数字系统设计 Check frequently答疑玉泉信电楼308室/周二周五下午2:30-5:00上课课间、课后均可Email，微信群/数字系统设计，短信均可,Grading (考核),Final grades will be computed approximately as follows:平时（含课程作业、期中考试+小测验、Project、出勤等）30%Class Room CheckHomework Sets作业每周二上交截止期为课后一周内有效Project 2 projects (1 or 2 members team)Project-2

5、可选（总评加分15分，但不超过平时成绩范围）Finial Exam期末闭卷考试 - 70%,授课时间和地点：,2017年春夏学期，周二上午，第1、2节(08:00-09:35)星期五上午，第3、4节(9:50-11:25)地点：紫金港西1-520(多)http:/ 2017 ZDMC Lec. #1,课程结构,数字理论知识(必备)数字系统和编码、逻辑代数、门电路数字电路分析与设计组合逻辑电路触发器、半导体存贮器、可编程器件时序逻辑电路脉冲电路与接口控制器与数字系统状态机控制器微码控制器测试和验证微处理器简介与设计指令集4位CPU,什么是数字系统？,9,Spring 2017 ZDMC Lec.

6、 #1,讨论： 你知道的数字系统有哪些？ 你想象的数字系统是怎样的？ 你希望了解的数字系统是什么？请踊跃发言！,10,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,数字系统设计-抽象级别 (Design Abstraction Levels）,n+,n+,S,G,D,+,DEVICE,CIRCUIT,GATE,MODULE,SYSTEM,数字系统,11,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,仅仅用数字0/1来“处理”信息，以实现计算和操作的电子网络。,层次 逻辑网络 电子电路 形式描述,12,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,设计准则 （Design Metri

7、cs）,如何评价数字电路的性能(Figure of Merit)成本Cost可靠性Reliability可扩展性Scalability速度Speed (delay, operating frequency) 功耗Power dissipation能耗Energy to perform a function,同步数字系统 (Digital Systems),同步数字硬件系统Synchronous Digital Hardware Systems,13,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,Example digital representation: acoustic wavefor

8、mA series of numbers is used to represent the waveform, rather than a voltage or current, as in analog systems.,同步（Synchronous）: “Clocked” - all changes in the system are controlled by a global clock and happen at the same time (not asynchronous)数字（Digital）: All inputs/outputs and internal values (s

9、ignals) take on discrete values (not analog).,14,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,数字系统例子-1,数字计算机 最大化性能,- 最小化成本,计算器,15,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,数字系统例子-2,Digital Watch便携数码产品,最小化功耗.电池可维持数年,16,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,设计折中 trade off,设计规范 - 功能性描述. 性能，成本，功耗作为设计人员必须在约束条件下实现预期的功能。,17,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,设计表达,1

10、8,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,CellPhone,19,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,Roadrunner 1 Petaflops,20,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,1. Chip16 cores,2. ModuleSingle Chip,4. Node Card32 Compute Cards, Optical Modules, Link Chips, Torus,5a. Midplane16 Node Cards,6. Rack2 Midplanes1, 2 or 4 I/O Drawers,7. System 20PF/s

11、,3. Compute CardOne single chip module,16 GB DDR3 Memory,5b. I/O Drawer8 I/O Cards8 PCIe Gen2 slots,Blue Gene/Q packaging hierarchy,Ref: SC2010,21,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,Moores Law 2x stuff per 1-2 yr,现在已被宣布正式失效,22,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,我们的学习目标,数字电路设计的基础理论数字系统分析方法数字系统设计方法数字系统的输入输出接口数字系统实现和测试方法数

12、字电路的设计来解决问题的基本技能数字处理器,为什么是数字系统？,23,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,为什么不是模拟系统？说说你认可的理由。,逻辑代数基础（复习）,25,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑代数概述,基本概念-布尔代数逻辑： 事物的因果关系逻辑运算的数学基础： 逻辑代数在二值逻辑中的变量取值： 0/1用简单(0/1)代数描述复杂性事物哲学思想 simple is best,26,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑代数中的三种基本运算,与（AND） 或（OR） 非（NOT）,1）以A=1表示开关A合上，A=0表示开关A断开；

13、2）以Y=1表示灯亮，Y=0表示灯不亮；三种电路的因果关系不同,27,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,与 -AND,条件同时具备，结果发生Y= A AND B = A&B = AB = AB真值表 /truth table 图形符号,国标国际,器件符号,28,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,或-OR,条件之一具备，结果发生Y= A OR B = A+B真值表 图形符号,器件符号,29,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,非-NOT(反相器),条件不具备，结果发生 真值表 图形符号,30,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,几种常用

14、的复合逻辑运算1,与非-NAND 或非-NOR 与或非AND-NOR,31,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,几种常用的复合逻辑运算2,异或-EXCLUSIVE ORY= A B,32,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,几种常用的复合逻辑运算3,同或-EXCLUSIVE NOR /符合Y= A B,33,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,基本公式运算规则：交换律、结合律、分配律、重叠律、互补律、反演律、还原律、逆；常用公式符号的优先级：1）括号，2）非，3）与，4）或。,逻辑代数的基本公式和常用公式,34,Spring 2017 ZDMC Lec

15、. #1,基本公式,根据与、或、非的定义，得布尔恒等式,证明方法：推演 真值表,35,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,公式（17）的证明： A+BC=(A+B)(A+C) （1公式推演法）,36,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,公式（17）的证明（2真值表法）：,37,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,若干常用公式,38,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑代数的基本定理,代入定理 -在任何一个包含A的逻辑等式中，若以另外一个逻辑式代入式中A的位置，则等式依然成立。,39,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,代

16、入定理-1,应用举例： 式（17） A+BC = (A+B)(A+C) A+B(CD) = (A+B)(A+CD)= (A+B)(A+C)(A+D),40,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,代入定理-2,应用举例： 式 （8）,41,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑代数的基本定理-2,反演定理 -对任一逻辑式,变换顺序 先括号，然后乘，最后加,不属于单个变量的上的反号保留不变,42,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,反演定理,应用举例：,43,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑函数Logic functionY=F(A,

17、B,C,)若以逻辑变量为输入，运算结果为输出；则输入变量值确定以后，输出的取值也随之而定。输入/输出之间是一种函数关系。 注：在二值逻辑中， 输入/输出都只有两种取值0/1。,逻辑函数及其表示方法,44,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑函数的表示方法,真值表逻辑式逻辑图logic diagram波形图waveform/timing diagram卡诺图计算机软件中的描述方式-Verilog HDL/VHDL各种表示方法之间可以相互转换,45,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑真值表,46,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑式 将输入

18、/输出之间的逻辑关系用与/或/非的运算式表示就得到逻辑式。逻辑图 用逻辑图形符号表示逻辑运算关系，与逻辑电路的实现相对应。波形图 将输入变量所有取值可能与对应输出按时间顺序排列起来画成时间波形。,47,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,波形图,48,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,卡诺图（重点，见第二讲）EDA中的描述方式 HDL (Hardware Description Language) VHDL (Very High Speed Integrated Circuit ) Verilog HDL EDIF DTIF 。,49,Spring 2017 ZD

19、MC Lec. #1,举例：举重裁判电路,A:主裁判B/C:副裁判,50,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,各种表现形式的相互转换,真值表 逻辑式例：奇偶判别函数的真值表A=0,B=1,C=1使 ABC=1A=1,B=0,C=1使 ABC=1A=1,B=1,C=0使 ABC =1这三种取值的任何一种都使Y=1,所以 Y= ?,51,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,真值表 逻辑式方法：找出真值表中使 Y=1 的输入变量取值组合。每组输入变量取值对应一个乘积项，其中取值为1的写原变量，取值为0的写反变量。将这些变量相加即得 Y。把输入变量取值的所有组合逐个代入逻辑

20、式中求出Y，列表,52,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑式 逻辑图1. 用图形符号代替逻辑式中的逻辑运算符。,53,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑式 逻辑图1. 用图形符号代替逻辑式中的逻辑运算符。2. 从输入到输出逐级写出每个图形符号对应的逻辑运算式。,54,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,波形图 真值表留给同学们思考：怎么转换？同一时刻不同输入-输入变量同一时刻不同输出-输出信号不同时刻不同输入-输入变化组合,55,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,最小项 m：m是乘积项包含n个因子n个变量均以原变量和反变量的

21、形式在m中出现一次编号形式：积之和,对于n变量函数有2n个最小项,逻辑函数的两种标准形式 最小项之和 最大项之积,56,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,最小项举例,两变量A, B的最小项三变量A,B,C的最小项,57,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,最小项的编号：,58,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,最小项的性质,在输入变量任一取值下，有且仅有一个最小项的值为1。全体最小项之和为1 。任何两个最小项之积为0 。两个相邻的最小项之和可以合并，消去一对因子，只留下公共因子。 -相邻：仅一个变量不同的最小项 原理如,59,Spring 2017

22、 ZDMC Lec. #1,逻辑函数最小项之和的形式,例：,利用公式可将任何一个函数化为,60,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑函数最小项之和的形式,例：,利用公式可将任何一个函数化为,61,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑函数最小项之和的形式,例：,利用公式可将任何一个函数化为,62,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑函数最小项之和的形式,例：,63,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑函数最小项之和的形式,例：,64,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑函数最小项之和的形式,例：,65,Sp

23、ring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑函数最小项之和的形式,例：,66,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,最大项：重视,M是相加项；包含n个因子。n个变量均以原变量和反变量的形式在M中出现一次。如：两变量A, B的最大项形式：和之积,对于n变量函数2n个,67,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,最大项的性质,在输入变量任一取值下，有且仅有一个最大项的值为0；全体最大项之积为0；任何两个最大项之和为1；只有一个变量不同的最大项的乘积等于各相同变量之和。,68,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,最大项的编号：重点,69,Spring 20

24、17 ZDMC Lec. #1,最小项到最大项的转换,70,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,逻辑函数的化简法,逻辑函数的最简形式 最简与或式 -包含的乘积项已经最少， -每个乘积项的因子也最少， -称为最简的与-或逻辑式。,71,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,公式化简法1反复应用基本公式和常用公式，消去多余的乘积项和多余的因子。 例：,72,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,公式化简法2反复应用基本公式和常用公式，消去多余的乘积项和多余的因子。 例：,73,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,公式化简法3反复应用基本公式和常用

25、公式，消去多余的乘积项和多余的因子。 例：,74,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,公式化简法4反复应用基本公式和常用公式，消去多余的乘积项和多余的因子。 例：,75,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,名词解释,TTL: transistor-transistor logic晶体管逻辑ECL: emitter-coupled logic 发射极耦合逻辑电路MOS:metal-oxide semiconductor金属氧化物半导体CMOS: complementary metal-oxide semiconductor互补金属氧化物半导体,76,Spring 20

26、17 ZDMC Lec. #1,Transistor Revolution,Transistor Bardeen (Bell Labs) in 1947Bipolar transistor Schockley in 1949First bipolar digital logic gate Harris in 1956First monolithic IC Jack Kilby in 1959First commercial IC logic gates Fairchild 1960TTL 1962 into the 1990sECL 1974 into the 1980s,77,Spring

27、2017 ZDMC Lec. #1,ENIAC - The first electronic computer (1946),78,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,Intel 4004 Microprocessor 1971,79,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,Package Types,80,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,Quick Introduction to CAD (1),CAD = Computer Aided DesignWhats the point?,Source: Keutzer, EE244,81,Spring 2

28、017 ZDMC Lec. #1,Quick Introduction to CAD (2),CAD ToolsSpecial EditorsData ProcessorsSynplify ProXilinx Map & PAR ToolsModelSimCAD Tool FlowThe tools and the order in which they are applied to a given design,82,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,Quick Introduction to CAD (3),83,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,assig

29、n Out = Q In;always (posedge Clock) beginif (Reset) Q = 1b0;else Q = In;end,Quick Introduction to CAD (4),Placed and Routed Design,Verilog,Sketch on Napkin,84,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,Quick Introduction to CAD (5),Steps to build a circuitDesign the circuit (on paper)Write Verilog in NotepadSimulate

30、using ModelSimFix the bugsRe-simulate using ModelSimSynthesizeProgram the Board,85,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,Verilog (1),Whats an HDL?Textual Description of a CircuitHuman and Machine ReadableHierarchicalMeaningful NamingNOT A PROGRAMDescribe what the circuit ISNot what is DOES,86,Spring 2017 ZDMC Le

31、c. #1,Verilog (2),Digital Design Productivity, in Gates/WeekSource: DataQuest,87,Spring 2017 ZDMC Lec. #1,课后作业,调查：国际上的数字相关集成电路公司有哪些芯片？TI, Philips, Toshiba, Fairchild, Motorola图书馆资源：电子器件天地http:/10.15.61.7:8080/poweb/s_search.jsp?searchFiled=5 1.5 (4),1.6 (2,4),1.9 (2,3) 数制变换； ( 3月7日上交）重点复习数制和码制；卡诺图化简；门电路,什么是电子设计竞赛？,了解规则了解课题组队联系指导教师申报go,88,