硬件描述语言和数字系统设

1华中科技大学电子系郑朝霞硬件描述语言与数字系统设计主讲老师:郑朝霞华中科技大学电子系[e-mail]华中科技大学电子系郑朝霞教材‹1.《VerilogHDL硬件描述语言》J.Bhasker著徐振林译清华大学机械工业出版3华中科技大学电子系郑朝霞参考书目‹1.※《VerilogHDL综合实用教程》J.Bhasker著孙海平等译清华大学出版社‹2.※《VerilogHDL高级数字设计》张雅倚李锵等译电子工业出版社‹3.※《IC设计基础》任艳颍王琳编著西安电子科技大学出版社‹4.《Verilog数字系统设计教程》夏宇闻编著北京航空航天大学出版社‹5.Weste,NeilH.E,PrinciplesofCMOSVLSIdesign:asystemsperspective,2nded,Addison-Wesley,19934华中科技大学电子系郑朝霞与数字电路设计相关的工具‹一、数字设计相关工具：‹1）源码编辑软件：UltraEdit（切忌用记事本、WORD等文本编辑器）‹2）仿真工具：(MENTOR的)Modelsim，(SYNOPSYS公司的)VCS，（CADENCE）的Verolig-XL‹3）综合工具：LeonardoSpectrum，（FPGA方面专业）synplify，(SYNOPSYS公司的)DesignCompiler‹4）源码阅读、波形分析工具：Debbussy‹5）FPGA平台：XILINX公司的ISE；Altera公司的QuartusⅡ‹二、模拟电路设计相关工具：‹画shematic工具：ViewLogic‹网表仿真工具：Hspice‹（cadence公司提供的基于服务器的平台）5华中科技大学电子系郑朝霞‹源码编辑软件：UltraEdit‹仿真工具：Modelsim‹综合工具：LeonardoSpectrum、‹FPGA工具：‹1.Xilinx:ISE‹2.Altera:QuartusⅡ本课程设计工具要求华中科技大学电子系郑朝霞主讲教师:郑朝霞第1章概述硬件描述语言和数字系统设计华中科技大学电子系郑朝霞2主要内容：1.1模拟信号与数字信号的区别与联系1.2集成电路发展历史1.3数字集成电路设计工艺相关1.4CMOS基本逻辑门华中科技大学电子系郑朝霞31.1模拟信号与数字信号的区别与联系知识点：1.1.1模拟手机与数字手机1.1.2模拟电视与数字电视华中科技大学电子系郑朝霞41.1.1模拟手机与数字手机模拟手机即“大哥大”。在香港一些警匪片中，黑社会资格较老的成员一般称为“大哥”而头头、老板之类则称为“大哥大”。由于这些“大哥大”常手拿“移动电话”在屏幕上出现，所以人们便把“移动电话”叫“大哥大”。图1大哥大华中科技大学电子系郑朝霞5那时的大哥大，要卖到1万多，用的人很少，使用大哥大，是有钱人的象征。站在路边打个电话，很风光！图2大哥大使用情况华中科技大学电子系郑朝霞61.1.1模拟手机与数字手机图3大哥大和数字手机对比华中科技大学电子系郑朝霞7‹模拟手机是用电流的强弱来模拟声音音调的高低。模拟信号在长距离传输和多次加工放大的过程中，信号电流的波形会改变，从而使信号丢失，声音失真或信号中断。这样的模拟手机要建设很多的通讯塔来保护信号。‹而数字手机就用数字0和1的不同组合的数字串来代表声音，这样使声音失真少信号强。华中科技大学电子系郑朝霞81.1.2模拟电视与数字电视2001年10月，广电总局明确提出:‹到2005年我国有线数字电视用户超过3000万户；‹2010年全面实现数字广播电视；‹2015年停止模拟广播电视的播出。华中科技大学电子系郑朝霞9模拟电视：图象信号的产生、传输、处理到接收机的复原，整个过程几乎都是在模拟体制下完成的。其特点是采用时间轴取样，每帧在垂直方向取样，以幅度调制方式传送电视图象信号。为降低频带，同时避开人眼对图象重现的敏感频率，将1帧图象又分成奇、偶两场扫描。加上20世纪六、七十年代期间，确定模拟电视主要技术参数时，其相关理论和技术的缺陷，使传统的模拟电视存在易受干扰、色度畸变、亮色串扰、行串扰、行蠕动、大面积闪烁、清晰度低和临场感弱等缺点。在模拟领域，无论怎样更新、改进硬件结构，电视所应有的功能和声像质量还远没有达到，不足以使其全面地发生根本性的变革。华中科技大学电子系郑朝霞10数字电视：严格地说就是从信源开始，将图象画面的每一个像素、伴音的每一个音节都用二进制数编码成多位数码，再经过高效的信源压缩编码和前向纠错、交织与调制等信道编码后，以非常高的比特率进行数码流发射、传输和接收的系统工程。在接收端的显像管和扬声器的输入端，得到的是模拟图象信号（高质量图象）和模拟音频信号（环绕立体声或丽音效果）。数字电视能带来高质量的画面，功能更加丰富，高质量的音效，丰富多彩的电视节目，还具备交互性和通信功能。华中科技大学电子系郑朝霞111.2集成电路发展历史知识点：1.2.1集成电路工艺发展情况1.2.2常见集成电路制造厂(Foundry)情况华中科技大学电子系郑朝霞121.2.1集成电路工艺发展情况图图4419471947年第一个晶体管年第一个晶体管华中科技大学电子系郑朝霞13‹1970’s出现nMOS晶体管便宜但是静态下也消耗功率于是,出现CMOS具有低静态功耗华中科技大学电子系郑朝霞14IntelCPU早期图5Intel1101256-bitSRAM图6Intel40044-bitmProc华中科技大学电子系郑朝霞15图图77IntelIntel奔腾奔腾CPUCPU早期早期华中科技大学电子系郑朝霞16Pentium®4“Northwood”CommercialProduction:Year2001L=0.13µm6MLCuLow-kFC-PGA2图图88IntelIntelPIVPIV华中科技大学电子系郑朝霞179yrs+2yrsdelay*9yrs?+2yrsdelay?9yrs+?yrsdelay675mm/2021?450mm/2012?300mm/2001200mm/1990(125/150mm-1981)WearehereWhendoesthishappen?图图99多晶硅工艺发展情况多晶硅工艺发展情况华中科技大学电子系郑朝霞18图图100.20100.20µµmGeometry/SMIC0.13mGeometry/SMIC0.13µµmm华中科技大学电子系郑朝霞19图图11未来工艺未来工艺MEMS1/2Theworld'ssmallestguitaris10micrometerslong华中科技大学电子系郑朝霞20图图12未来工艺未来工艺MEMS2/2华中科技大学电子系郑朝霞21摩尔定律1965年，英特尔（Intel）创始人之一戈登·摩尔（GordonMoore）提出来。其内容是指IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。IntegrationLevels1.SSI:Small-scaleIntegration,Gates102.MSl:Medium-scaleIntegration,10Gates10003.LSl:Large-scaleIntegration,Gates10004.VLSI:VeryLarge-scaleIntegration,Gates1000005.SoC:MillionGate,Software&Hardware.华中科技大学电子系郑朝霞221.2.2集成电路常见FOUNDRY厂SMICTSMCUMC1STSILICON英特尔Fab68工厂(90nm300mm/12英寸)华中科技大学电子系郑朝霞23图14中芯国际Foundry厂1/12华中科技大学电子系郑朝霞24图15中芯国际Foundry厂2/12华中科技大学电子系郑朝霞25图16中芯国际Foundry厂3/12华中科技大学电子系郑朝霞26图17中芯国际Foundry厂4/12华中科技大学电子系郑朝霞27图18中芯国际Foundry厂5/12华中科技大学电子系郑朝霞28图19中芯国际Foundry厂6/12华中科技大学电子系郑朝霞29图20中芯国际Foundry厂7/12华中科技大学电子系郑朝霞30图21中芯国际Foundry厂8/12华中科技大学电子系郑朝霞31图22中芯国际Foundry厂9/12华中科技大学电子系郑朝霞32图23中芯国际Foundry厂10/12华中科技大学电子系郑朝霞33图24中芯国际Foundry厂11/12华中科技大学电子系郑朝霞34图25中芯国际Foundry厂12/12华中科技大学电子系郑朝霞351.3数字集成电路设计工艺相关知识点：1.3.1半导体掺杂与PN结1.3.2nMOS，pMOS与等效开关模型华中科技大学电子系郑朝霞361.3.1半导体掺杂与PN结杂质半导体:1)N型半导体：硅(Silicon)+五价元素(如磷)，利用自由电子导电。2)P型半导体：硅(Silicon)+三价元素(如硼)，利用空穴导电。图26半导体掺杂华中科技大学电子系郑朝霞37PN结：一种在P型半导体和N型半导体之间形成二极管的结。PN结中电流的方向是单向的。图27PN结华中科技大学电子系郑朝霞38nMOS晶体管:1.四个端子：栅极、源极、漏极、衬底。2.栅-氧-衬底堆叠像电容结构一样-栅极和衬底是导体-氧化层是很好的绝缘体-称为金属氧化半导体(MOS)电容-栅极不一定用金属制作1.3.2nMOSpMOS与等效开关模型华中科技大学电子系郑朝霞39a）nMOS栅极为低电平的时候nMOS操作:‹衬底一般拉到地‹栅极为低电平时-P型衬底为低-源衬和漏衬二极管处于关断态-没有电流，晶体管处于关断态华中科技大学电子系郑朝霞40nMOS截止‹VgsVTH‹Ids=0VTH：阈值电压+-Vgs=0n+n++-Vgdp-typebodybgsd图28nMOS截止华中科技大学电子系郑朝霞41b）nMOS栅极为高电平的时候栅极为高电平时:-正电荷聚集在MOS电容的栅极-负电荷被拉到衬底-在栅极下面形成反型沟道(n型沟道)-现在，电流可以从源极通过沟道流向漏极，晶体管处于导通状态。华中科技大学电子系郑朝霞42nMOS导通VgsVTH+-VgsVtn+n++-VgdVtVdsVgs-Vtp-typebodybgsdIds图29nMOS导通华中科技大学电子系郑朝霞43等效开关模型MOS管（nMOS、pMOS）是电压控制开关，在栅极的电压控制源漏之间的通道图30MOS开关模型华中科技大学电子系郑朝霞441.4CMOS基本逻辑门知识点：1.4.1CMOS反向器1.4.2CMOS与非门1.4.3CMOS或非门1.4.4CMOS传输门1.4.5例题华中科技大学电子系郑朝霞451.4.1CMOS反向器一图31CMOS反向器1/3华中科技大学电子系郑朝霞46CMOS反向器二图32CMOS反向器2/3华中科技大学电子系郑朝霞47CMOS反向器三图33CMOS反向器3/3华中科技大学电子系郑朝霞481.4.2CMOS两输入与非门一图34CMOS与非门1/6华中科技大学电子系郑朝霞49CMOS两输入与非门二图35CMOS与非门2/6华中科技大学电子系郑朝霞50CMOS两输入与非门三图36CMOS与非门3/6华中科技大学电子系郑朝霞51CMOS两输入与非门四图37CMOS与非门4/6华中科技大学电子系郑朝霞52CMOS两输入与非门五图38CMOS与非门5/6华中科技大学电子系郑朝霞53CMOS三输入与非门如果所有的输入端为“1”，则输出端Y为“0”如果任何输入端为“0”，在输出Y为“1”图39CMOS与非门6/6华中科技大学电子系郑朝霞541.4.3CMOS两输入或非门图40CMOS或非门华中科技大学电子系郑朝霞551.4.4CMOS传输门一传输门:‹nMOS开关和pMOS开关相连而成。‹EN_L和EN应该是互补的。‹当nMOS和pMOS同时处于开状态，传输门两端的电阻非常小。华中科技大学电子系郑朝霞5