数字系统的基本模型与设计过程

数字系统的基本设计模型

2．数字系统层次化设计与基本设计过程
数字系统的设计可以分为四个层次，即系统级设计、电路级设计、芯片级设计和电路板级设计。相应地从提出设计要求到完成系统成品，数字系统设计过程可分为以下几个设计步骤：系统设计、芯片设计、电路设计、PCB设计、结构设计及电路调试和系统调
（1）系统设计
系统设计是数字系统设计的最高层次。一个系统可以包括若干芯片。如果是“System on Chip”设计，则在一个系统芯片上，也会有若干类似于处理器、存储器等这样的部件。系统设计主要任务是将设计要求转换为明确的、可实现的功能和技术指标，确定可行的技术方案，且在系统一级（顶层）进行功能和技术指标的描述。这类描述一般通过文字来表示就可以，不会用VHDL来描述。
（2）电路设计
电路设计主要是确定实现系统功能的算法和电路形式，在电路级对系统的功能进行描述。在传统的采用分立元件及中、小规模集成电路进行逻辑设计时，往往采用传统的手工设计方法，其流程大致为：“选择恰当功能的元器件→电路板设计→构成电子系统”。所需的元器件种类多、数目大；调试复杂，难于修改；设计无灵活性可言。这里基于FPGA/ CPLD数字系统的电路设计和传统电路设计方法有本质的区别，只是层次化设计理念一样。
（3）芯片设计
通过对芯片的设计与编程，实现电路设计所确定的算法和电路形式。即设计ASIC。由于PLD可由用户对其功能进行设计，对其引脚进行配置，这就可以采用基于芯片的方法进行系统设计，给设计者带来很大方便。可见，芯片本身就是一个系统或就是产品。芯片级的基本组成是处理器、存储器、各种接口、时序控制器等。当然，设计者首先根据系统设计的功能模块划分并进行描述，把功能模块放到芯片中进行设计，再用它们的连接来构成整个芯片，从而用单片或几片FPGA/CPLD实现系统的主要功能。
（4）电路板级设计
电路板级设计简称PCB设计，它是在芯片设计的基础上，通过对芯片和其他电路元件之间的连接，把各种元器件组合起来构成完整的电路系统；并且依照电路性能、机械尺寸、器件封装形式（如传统的通孔元器件或表面安装元器件）、工艺（如手工焊接或波峰焊接或回流焊接）及环境要求，确定电路板的尺寸、形状，进行元器件的布局、布线。通常，可以采用PCB设计软件完成，如OrCAD10、Protel99等通用EDA软件。
（5）电路调试和系统调试
数字系统设计必须进行电路调试和系统调试，其目的是检查设计中存在的问题。当然，随着EDA技术的发展，新的技术和工具总是引入新的方法，电路和系统仿真成为系统设计的主要手段，电路调试和系统调试在某种程度上前移，使最后的硬件调试变的简单和容易。但是，电路和系统的硬件调试是不可缺少的步骤。
（6）结构设计
结构设计包括机箱和面板设计。结构设计属于工艺和工业造型的问题，目的是获得较好的电气、机械性能和美观的外形。一般采用计算机辅助工艺规划（CAPP）、机械三维实体等设计软件来实现。有时这一步骤与其它设计步骤并行进行。