❖分层次反映了事物的内在联系，可使大化小， 复杂变简单。
❖分层次可将一些细节隐藏起来，减少每次处理 事物的数量，便于控制事物复杂度。
❖分层次可以实现模块化的设计。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
பைடு நூலகம்
数字系统描述可按抽象层次不同划分为行为域、
结构域和物理域描述 ：
行为域
结构域
系统规格 算法行为 RTL
R2
D3 D2 D1 D0 右移
0 D3 D2 D1
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
门级网表与物理实现
由RTL级设计，通过综合工具，可综合出门级网 表。后续的布局布线设计工作一般可在设计人员 指导下由EDA工具完成。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
数字系统RTL级设计方法
布尔方程 传递函数
体系结 构框图
模块 框图 网表
逻辑门
晶体管 版图
单元 宏单元 模块
物理域
系统实现
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
现代数字系统设计方法
行为域
系统级人工设计
结构域
系统规格 算法行为 RTL
模块级人工设计
行为综合
RTL综合
网表
布尔方程
逻辑门
传递函数
晶体管
体系结 构框图
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
控制逻辑
控制逻辑：给数据路径提供一系列控制信号， 并由控制输入和数据路径的状态反馈决定控制 信号的产生。控制逻辑主要由触发器和逻辑门 组成。
数字系统的控制逻辑和数据路径目前一般使 用RTL级的硬件算法确定。数字系统设计中最 有挑战性和最富有创造性的工作是提出硬件算 法。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
功能块的算法模型
❖一般功能块总是完成一个确定的任务，可以采 用算法模型描述。
❖算法模型描述了模块硬件的行为，但不关心硬 件具体实现的方法。
❖算法模型是事件驱动的，不含严格的时钟信息， 类似于软件的程序，可用C、HDL语言描述。现 在也较多采用MATLAB，system C等语言描述。
❖ ASM图：与算法流程图形式上相似，但有本质区别。它 主要由三部分组成：状态框，判决框和条件框。
❖ 算法流程图与ASM图主要区别在操作驱动不同，算法流 程图是由事件驱动的操作，而ASM图的所有操作是由时 钟驱动的操作。
判决框。框内说明判 决条件，并有2个以 上输出。
0 R显示
条件框。框内说明对应电路功 能，并一定与判决框一个分支 相连。
左图所示算法流程图描述了一个计数器R，启 动一次就从0计数到10后结束，并同步显示。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
算法状态机（ASM）
❖ 算法流程图可以方便地描述数字系统的主要功能，但 不能描述同步时钟控制下，信号间的严格时序关系。 进一步发展的可用于定义数字系统硬件电路的方法， 称为算法状态机图(algorithmic state machine)，简 称ASM图。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
模块体系结构设计
由算法模型设计出模块及模块的体系结构，一般是将 模块划分出两个独立的部分，一是完成数据处理操作的 数字电路部分，称数据路径；其二是决定不同操作执行 顺序的控制电路部分，称控制逻辑。
状态反馈
控制逻辑 控制输入
控制信号
数据路径
输入数据
输出数据
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
第八讲 同步数字系统设计基础
❖ 数字系统的分层和分域描述 ❖ 现代数字系统设计方法 ❖ 数字系统RTL级设计方法 ❖ 本讲要点和实验要求
第八讲 同步数字系统设计基础
数字系统的描述
西安邮电学院通信工程系
数字系统常采用分层描述的方法，实践证明这是 行之有效的，因为：
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
算法流程图
算法流程图是从程序流程图发展出来的一种数字系统的功能描述 方法。它由启动框、结束框、工作框、判决框、条件框和有向线组 成，且各框由事件驱动并发工作，与程序流程图不同。
启动
R<=0
R<=R+1 R=10?
1 结束
工作框。框内说明 对应电路的功能
第八讲 同步数字系统设计基础
RTL级设计
西安邮电学院通信工程系
RTL（Register Transfer Level）级设计是模块设计 的主要工作。模块的功能可定义为一组寄存器及对寄存 器的操作，对寄存器的信号进行传输和处理称为寄存器 传输操作。数字系统设计是RTL级设计需满足三个条件：
1) 系统中有定义的一组寄存器。如 R1、R2。 2) 能对寄存器的数据进行操作。如 R1<- R1＋R2。 3) 系统中有信号控制操作的时序。如
数字系统设计模型： 一般数字系统的逻辑设计分为两 个独立的部分，数据路径和控制逻辑。
状态反馈
控制逻辑 控制输入
控制信号
数据路径
输入数据
输出数据
第八讲 同步数字系统设计基础
数据路径
西安邮电学院通信工程系
数据路径 是输入数据的处理单元，一般完成 数据的算数运算、逻辑运算和移位等操作，主 要由加法器、逻辑运算单元、译码器、多路选 择器、计数器、移位寄存器和数据寄存器等器 件构成。
模块 框图
单元映射、 布局、布线
物理域
单元（LE）
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
系统规格 （specification）
系统规格是数字系统设计的目标。包括：
❖数字系统功能的描述。常用功能框图、功能 说明、时序图、C语言及system C等描述。
❖I/O引脚的描述，如功能、排列、驱动能力、 电平等。
if(T1==1) R1<- R2；
第八讲 同步数字系统设计基础
RTL级设计
西安邮电学院通信工程系
一般常用的寄存器操作有： ❖ 将数据由一个寄存器传输到另一个寄存器的传输操作。 ❖ 对寄存器中的数据进行算数、逻辑操作。 ❖ 对寄存器中数据进行移位操作。 ❖ 对寄存器进行复位、置位操作。
R1 ＋ R3
❖定时的描述，如引脚建立保持时间、时序要 求、时钟频率等。
❖其它物理参数，如功耗、极限参数、封装等。
第八讲 同步数字系统设计基础
西安邮电学院通信工程系
系统体系结构设计（系统设计）
按系统规格的要求，人工设计系统的体系结构， 划分系统功能块，并给出系统的设计规范:
❖功能块、输入输出接口定义及时序要求。 ❖时钟域划分，跨时钟域异步电路划分。 ❖系统和功能块的复位处理方法。 ❖系统和功能块的测试方法。 ❖对复杂设计需建立系统的行为模型。